Q345钢性能分析综合报告1

Q345钢性能分析综合报告
摘要
本次实验采用埋弧焊中不开坡口对接接头悬空双面焊的方法将两块均为9.5mm的Q345钢板对接。

用手工锯的方法切取焊接接头金属试样，试样尺寸为
⨯⨯。

将切取的试样在砂轮机上粗磨，并将四周倒成圆角。

再399.527
mm mm mm
将试样在1至6号砂纸上进行细磨。

经细磨后的试样，用清水冲洗以除去磨粒，再进行机械抛光。

然后，将抛光后的试样用4%的硝酸酒精溶液浸蚀10~15s，再用酒精擦拭浸蚀部位，用吹风机吹干试样。

最后将制备好的试样放在金相显微镜上观察并拍摄焊接接头不同部位的照片，并用维氏硬度计测量焊接接头不同部位的硬度。

在拍摄焊接接头不同部位显微组织的照片之前，先拍摄接头宏观组织，直观观察和分析接头宏观缺陷、焊缝成形以及焊缝金属结晶方向。

根据拍摄到的焊接接头母材、焊缝和焊接热影响区的显微组织的照片分析焊缝的结晶形态、焊接热影响区金属的组织变化和焊接接头的微观缺陷等。

在维氏硬度计上测定焊接接头母材、焊缝和焊接热影响区的硬度。

根据硬度值在不同区域内的变化可大概知道不同区域的组织与硬度的关系。

根据硬度与不同组织的对应关系，分析得到热影响区的晶粒长大，引起该区的强度、硬度增大，该区的塑性、韧性降低。

母材与焊缝硬度接近，基本满足等强匹配的原则。

其中，热影响区硬度最高，是接头的薄弱环节。

关键词：显微组织分析，维氏硬度，金相试样制备，埋弧焊
1、实验过程简述
实验过程中，采用埋弧焊中不开坡口对接接头悬空双面焊的方法将两块均为9.5mm的Q345钢板对接。

待钢板冷却，用手工锯的方法切取焊接接头金属试样，试样尺寸为399.527
⨯⨯。

随后，用切取的试样制备金相样品。

切取的mm mm mm
试样表面凹凸不平极为粗糙，需要在砂轮机上进行粗磨，将试样四周倒成圆角，以免在细磨或抛光时撕裂砂纸或抛光布。

再将试样在1至6号砂纸上进行细磨。

经细磨后的试样，用清水冲洗以除去磨粒，再进行机械抛光。

然后，将抛光后的试样用4%的硝酸酒精溶液浸蚀10~15s，再用酒精擦拭浸蚀部位，用吹风机吹干试样。

最后将制备好的试样放在金相显微镜上观察并拍摄焊接接头不同部位的照片，并用维氏硬度计测量焊接接头不同部位的硬度。

2、实验原理
2.1 埋弧焊
2.1.1 埋弧焊工作原理
埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。

在焊剂层下，电弧在焊丝末端与焊件之间燃烧，使焊剂熔化、蒸发，形成气体，在电弧周围形成一个封闭的空腔，电弧在这个空腔
中稳定燃烧，焊丝不断送
人，以熔滴状进入熔池，
与熔化的母材金属混合，
并受到熔化焊剂的还原、
净化及合金化作用。

随着
焊接过程的进行，电弧向
前移动，熔池冷却凝固后
形成焊缝，密度较轻的熔
渣浮在熔池的表面，有效
地保护熔池金属，冷却后
形成渣壳，如图1所示。

图1 埋弧焊时焊缝的形成过程
焊接时焊丝连续不断地送进，其端部在电弧热作用下不断熔化，焊丝送进速度和
熔化速度相互平衡，以保持焊接过程的稳定进行。

依据应用场合和要求的不同，焊丝有单丝、双丝和多丝，有的应用中还以药芯焊丝代替裸焊丝，或用钢带代替焊丝。

2.1.2 埋弧焊焊丝与焊剂的匹配
埋弧焊焊剂与焊丝的匹配是获得高质量焊缝的关键，焊丝与焊剂的匹配主要依据以下两方面：
（1）被焊材料的类别及对焊接接头性能的要求
1）在焊接低碳钢和强度等级较低的低合金钢时，应按等强原则选用与母材相匹配的焊接材料；
2）在焊接低合金高强钢时，除要使焊缝与母材等强度外，还要特别注意保证焊缝的塑性和韧度；
3）在焊接耐热钢、低温钢和耐蚀钢时，除了要使焊缝与母材等强度外，还要保证焊缝具有与母材相同或相近的耐热性、耐低温性或耐蚀性；
4）焊接奥氏体或铁素体高合金钢时，主要保证焊缝与母材有相近的化学成分，使焊缝具有与母材相匹配的特殊性能，同时要满足力学性能和抗裂性能等方面的要求。

（2）满足埋弧焊工艺特点的要求
1）稀释率高在进行不开坡口的对接焊缝单道焊或双面焊，以及开坡口的对接焊缝根部焊接时，由于埋弧焊焊缝熔透深度大，母材熔化量大，焊缝稀释率高，使得焊缝成分在很大程度上取决于母材的成分，因此选用合金元素含量低于母材的焊丝焊接；
2）热输入高为了提高接头强度和韧度，在焊接厚板坡口的填充焊道时，应选用合金成分略高于母材的焊丝并配用中性焊剂焊接；
3）焊接速度快在焊速较大时，应选择适宜快速焊的焊剂。

2.1.3 埋弧焊操作内容
（1）焊前准备由于板比较薄，不用开坡口，可保证焊透和良好的焊缝成形。

用钢丝刷将焊件焊接部位表面的铁锈、油污、水分、氧化皮等清理干净。

同时，将焊丝表面油污、铁锈等污物清除干净。

采用250℃烘干HJ431焊剂。

采用对接CO焊定位两焊件。

接头装配，
2
（2）焊接工艺方法 采用不开坡口对接接头单丝悬空双面焊。

（3）焊接材料 焊丝选用n 102H M ，焊剂选用HJ431。

（4）焊接参数 如表1 所示。

表1 选择的埋弧焊焊接参数
2.1.4 注意事项
（1）装配焊件时要保证间隙均匀，高低平整，错边量小，定位焊缝长度一般大于30mm ，并且定位焊缝质量与主焊缝质量要求一致。

对直焊缝的装配，在焊缝两端要加装引弧板和引出板，待焊后再割掉，其目的是使焊接接头的始端和末端获得正常尺寸的焊缝截面，而且还可以除去引弧和收尾容易出现的缺陷。

（2）在保证对熔池良好保护的前提下，焊剂在坡口的堆叠高度应尽量低。

对回收焊剂过筛，随时添加新焊剂并充分拌匀后再使用。

2.2 金相试样的制备
2.2.1 试样的制备与观察原理
金属内部的组织是由各种相组成的，各种相的分布、形态直接反映了金属的组织。

用金相显微镜观察和研究金属内部组织的步骤为：首先是制备所取试样的表面，使其观察面为光洁程度很高的平面；然后选用合适的浸蚀剂，通过浸蚀使不同的相呈现出来，即可在显微镜下观察显微组织特征。

由于抛光后的试样表面在显微镜下只能看到白亮的一片而看不到其组织细节，因此必须采用合适的浸蚀剂对试样表面进行浸蚀，使试样表面有选择性地溶解掉某些部分，从而呈现微小的凹凸不平，这些不平在光学显微镜的景深范围可以显示出试样的组织形貌、大小和分布。

2.2.2 金相试样制备过程
（1）取样及粗加工 用手工锯的方法切取试样，选择焊缝断面作为金相磨面，进行粗加工，试样尺寸为399.527mm mm mm ⨯⨯。

（2）试样磨光将试样在砂轮机上磨平，并将其四周倒成圆角，以免在细磨或抛光时撕裂砂纸或抛光布。

再在1至6号砂纸上进行细磨，经细磨后的试样，用清水冲洗以除去磨粒即可进行抛光。

（3）试样抛光在抛光机上进行机械抛光，直到磨面看不到磨痕，且光亮如镜。

抛光后用水冲洗干净，最后用乙醇洗净并以热风吹干。

（4）磨面浸蚀用棉花蘸4%的硝酸酒精溶液擦拭金相磨面，浸蚀10~15s，然后用酒精清洗，再用吹风机吹干即可进行显微组织观察。

2.2.3 注意事项
（1）切取试样不可用砂轮机切割，以防金相组织发生改变。

（2）细磨时应按照细磨的操作要求进行。

（3）如浸蚀过度，须重新抛光或细砂纸磨后再抛光浸蚀。

2.3 焊接接头宏观及微观组织分析
2.3.1 实验原理
焊接是一种非常重要的成形工艺方法，有许多产品和零部件都有焊接工艺环节。

对这类产品来讲，焊接质量就决定了产品的寿命，所以在焊接工序之后进行宏观和微观组织检验是非常重要的一个环节。

焊接是局部加热的过程，焊缝及其附近的母材都经历一个加热和冷却的过程，此过程将引起焊接接头组织和性能的变化，从而影响焊接质量。

在焊接加热和冷却过程中，焊接接头各部分经受不同的热循环，主要是最高加热温度、加热速度和冷却速度不同，因而使得焊接接头各区域的组织各异。

组织的不同，将导致力学性能的变化。

所以对焊接接头进行金相分析，是对焊接接头力学性能鉴定不可缺少的环节。

焊接接头的金相分析包括宏观分析和显微分析两个方面。

2.3.2 焊接接头的宏观组织
宏观分析主要内容为：观察与分析焊缝成形、焊缝金属结晶方向和宏观缺陷等。

图2所示为焊接接头的宏观组织，可分为三个部分：1.中心为焊缝区；2.靠近焊缝的是热影响区；3.两边是未受影响的母材区。

（1）焊缝宏观现象：
1）焊缝成形美观，正反焊的焊缝相对于中心线偏移；
图2 焊接接头宏观组织
2）焊缝金属垂直于熔合线的方向结晶；
3）缺陷：未焊透。

（2）分析出现上述现象的原因
1）焊缝偏移的可能原因：在装配时，两焊件错边，正反面焊时焊枪偏离了对接中心线的位置，此种情况应避免；
2）晶粒沿着最大温度梯度方向生长，形成粗大的柱状晶，此种现象合理；3）未焊透的可能原因：环境温度过低，没有预热，热输入量相对偏低；焊接速度过快，线能量偏低；正反焊时，电弧电压偏高，热损失较大。

2.3.3 焊接接头的微观组织
显微分析主要内容为：借助于放大100倍以上的光学金相显微镜或电子显微镜进行观察，分析焊缝的结晶形态、焊接热影响区金属的组织变化和焊接接头的微观缺陷等。

钢材焊接后，焊接接头主要由焊缝和热影响区组成。

其中焊缝由熔化的母材金属和填充材料金属组成，热影响区是焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。

焊缝的组织取决于焊接时达到的最高温度、高温停留时间和随后的冷却速度。

由于
从熔化区到母材区的变化是连续发生的，所以热影响区也没有非常明显的分界线。

焊接接头组织由焊缝金属和焊接热影响区两部分组成，所以焊缝金属的结晶形态与焊接热影响区的组织变化不仅与焊接热循环有关，也和所用的焊接材料和被焊材料有密切关系。

焊缝的结晶形态除了受被焊金属成分的影响外，还与焊接速度、焊接板厚和接头形式等工艺因素有关。

对于Q345钢（非淬硬钢），根据焊接热影响区的组织特征，可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区等四个区域。

（1）母材
显微组织细密、均匀，Q345
钢母材的显微组织为均匀而细小
的珠光体和铁素体，如图3所示。

（2）焊缝
焊缝组织为铸态组织，环境
温度较低，冷却较快，焊缝会得
到针状铁素体、细晶铁素体和马
氏体。

由于双面焊所采用的焊接图3 母材显微组织（100⨯）
参数不同，因而得到不同的焊缝浸蚀剂：4%的硝酸酒精
组织。

正面焊采用较小的焊接电
流，线能量较小，晶粒较细小；反面焊采用较大的焊接电流，线能量较大，晶粒较粗大。

正面焊焊缝显微组织如图4所示，反面焊焊缝显微组织如图5所示。

图4 正面焊的焊缝（100⨯）图5 反面焊的焊缝（100⨯）
浸蚀剂：4%的硝酸酒精浸蚀剂：4%的硝酸酒精
（3）焊接热影响区
1）熔合区
焊缝金属和母材之间的过渡区，即半熔化去，称为熔合区。

焊接时，该区金属处于局部熔化状态，加热温度处于固相线与液相线之间。

熔合区在化学成分和组织性能上都有较大的不均匀性，接近母材一侧的金属组织是过热组织，塑性差。

同时又因温度梯度大，所以熔合区是很窄的，一般熔焊的情况下，此区仅有2~3个晶粒的宽度，甚至在显微镜下也难以辨认。

但是，它对强度和塑性都有很大影响。

在许多情况下，熔合区是产生裂纹、局部脆性破坏的发源地。

正面焊熔合区显微组织如图6所示，反面焊熔合区显微组织如图7所示。

图6 正面焊的熔合区 （100⨯） 图7 反面焊的熔合区 （100⨯） 浸蚀剂：4%的硝酸酒精 浸蚀剂：4%的硝酸酒精
2）过热区（粗晶区）
该区的加热温度范围为1100℃到固相线之间。

由于受热温度很高，使奥氏体晶粒严重长大，尤其在1300℃以上时晶粒十分粗大，冷却后得到晶粒粗大的过热组织。

此区的塑性大大降低，特别是对冲击韧度的影响尤为显著（通常降低20%~30%），硬度高。

其组织为粗大的铁素体和珠光体。

如在气焊导热条件较差时，甚至可能出现魏氏组织。

如果焊件的刚性很大，则常在此区域产生裂纹。

所以过热区与熔合区一样，都是焊接接头的薄弱环节。

过热区的显微组织如图8所示。

3）正火区（细晶区或相变重结晶区）
此区加热温度在3c ~1100A C ︒之间。

在加热过程中，铁素体和珠光体全部转
图8 过热区显微组织 （100⨯） 图9 正火区显微组织 （100⨯） 浸蚀剂：4%的硝酸酒精 浸蚀剂：4%的硝酸酒精
变为奥氏体，即产生金属的重结晶现象。

由于焊接时加热速度很快，在高温下停留时间又短，再则加热温度稍高于3Ac ，奥氏体晶粒尚未长大，故该区空冷后，将获得均匀细小的铁素体和珠光体组织，相当于热处理时的正火组织，故又称为正火区或相变重结晶区。

该区是焊接接头中综合力学性能最好的区域，该区域的组织比退火（或轧制）状态的母材组织细小。

正火区显微组织如图9所示。

4）部分相变区（不完全重结晶区）
焊接时，加热温度在13~Ac Ac 之间的金属区域。

由于加热时间短，同时温度处于13~Ac Ac 范围内，该区只有部分铁素体溶入奥氏体中发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和珠光体。

而未溶的铁素体则晶粒长大，变成粗大的铁素体组织。

所以此区域只有部分组织发生相变重结晶，该区域金属的组织不均匀，晶粒大小不一，一部分是晶粒细小的铁素体和珠光体，另一部分是粗大的铁素体。

由于该区组织不均匀，因此力学性能也不均匀。

不完全重结晶区的显微组织如图10所示。

（4）缺陷区
焊接过程中可能出现的缺陷主要有：裂纹、夹杂、咬边、未焊透、焊瘤等。

在本实验中，出现了焊接接头未焊透的现象。

引起未焊透的原因在“焊接接头宏观组织”中已经分析过，这里不再赘述。

未焊透将会引起焊接接头的有效承载截面积降低，并引起应力集中，进而降低接头的力学性能。

图11为靠近正面焊缝的未焊透部位的显微图像。

图12为靠近反面焊缝的未焊透部位的显微图像。

图13为未焊透引起的母材畸变。

图10 不完全重结晶区（100⨯）图11 靠近正面焊缝的
浸蚀剂：4%的硝酸酒精未焊透部位（100⨯）
浸蚀剂：4%的硝酸酒精
图12 靠近反面焊缝的图13 未焊透引起的母材
未焊透部位（100⨯）组织畸变（100⨯）
浸蚀剂：4%的硝酸酒精浸蚀剂：4%的硝酸酒精未焊透引起母材组织畸变的分析：由图11、图12和图13可看出，在母材未焊透的部位，母材组织的方向发生了改变，两焊件贴合部位发生了塑性变形，并且塑性变形流向为由正面焊缝流向反面焊缝。

出现这种现象的可能原因：正面焊缝对接头有拘束作用，使靠近正面焊缝的母材紧紧贴合在一起。

当进行反面焊时，在两焊件接合处未熔化的母材因熔化母材的凝固收缩作用而相互挤压发生塑性变形。

由于在正面焊时，靠近正面焊缝的母材已经受到挤压，所以靠近正面焊缝的母材受挤压程度大于靠近反面焊缝的母材，即出现塑性变形流向为由正面焊缝流向反面焊缝。

未焊透部位发生较大塑性变形，存在较大应力集中，力学性能降低。

2.3.4 注意事项
（1）严格按照金相显微镜的使用要求操作，在旋转粗调或微调手轮时动作要慢，碰到某种阻碍时应立即停止操作，报告指导老师查找原因，不得用力强行转动，否则会损坏机件。

（2）试样磨面严禁手指直接接触，倘若不小心碰到，可用酒精擦拭。

若出现划痕，应重新抛光，再浸蚀。

2.4 维氏硬度测定 2.4.1 实验原理
维氏硬度是用一定的实验力将一个面夹角为136°的金刚石四棱锥压头压入试样的被试表面，实验力经过一定时间（保荷时间）保持后卸除。

压头会在试样表面压出棱形凹陷（称为压痕），压痕为一正方形。

测量试样表面压痕对角线长度，计算出压痕的表面积，维氏硬度值与试验力除以压痕表面积的商成正比。

维氏硬度=()220.1022sin 136/2/0.1891/F d F d ⨯︒≈⎡⎤⎣⎦ ，其中，F 表示实验力，
12d d d =+ ，12d ,d 表示在相互垂直方向测量的压痕直径。

2.4.2 维氏硬度表示方法
k HV a/b
式中，k 为维氏硬度值，置于维氏硬度符号HV 之前；HV 为维氏硬度符号；a 为施加的试验力对应的kgf 值；b 为试验力保持时间（s ）,10~15s 不标注。

2.4.3 维氏硬度试验的分类与优缺点
（1）维氏硬度试验按试验力大小的不同，细分为三种试验，即：维氏硬度试验、小力值维氏硬度试验和显微维氏硬度试验。

（2）优缺点
1）优点：维氏硬度试验的压痕是正方形，轮廓清晰，对角线测量准确，因此，维氏硬度试验是常用硬度试验方法中精度最高的，重复性也很好；另外，其硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀的材料，可以任意选择试验力，其硬度值不变，测量范围广。

2）缺点：维氏硬度试验效率低，是要求较高的试验技术，对于试样表面粗糙度要求较高，通常需要制作专门试样，操作麻烦费时，通常只在实验室中使用。

2.4.4 实验硬度值测定
（1）在维氏硬度计上测定试样磨面上的维氏硬度值，分别测定焊缝、热影响区和母材的硬度值。

实验参数和结果如表2所示。

表2 Q345钢显微硬度测试结果
表2中，实验负荷：4.903 N (500 gf) ；保荷时间：10s 。

（2）硬度在不同区域内的变化图，如图14 所示。

图14 硬度在不同区域内的变化图
由表2和图14可看出，焊接热影响区的硬度最高，这是因为在焊接热影响区的熔合区、过热区晶粒严重长大，造成硬度增大；焊缝与母材的硬度接近，基本满足等强匹配的原则。

（3）不同区域的显微硬度图像
母材的显微硬度图像如图15所示，焊接热影响区的显微硬度图像如图16
图15 母材显微硬度图像图16 热影响区显微硬度图像
所示，焊缝显微硬度图像如图17所示。

由图15、图16和图17可看出，在相同
放大倍数下，焊接热影响区的相互垂直
压痕相对于母材和焊缝的要小。

因而，
热影响区的硬度相对较高。

图17 焊缝显微硬度图像
2.4.5 注意事项
（1）严格按照维氏显微硬度计的使用要求操作。

（2）试样的底面应当与磨面相互平行，并且平面度和平行度要求较高，否则，在硬度测试时会导致试样晃动，屏幕影像不稳定，测试难以正常进行，而得到的压痕不成正方形，误差较大。

3、实践体会
本次实践课程名称叫做材料性能分析综合训练，主要针对Q345钢的埋弧焊组织进行检测分析。

通过这次实践，我了解到作为焊接专业的学生应该具备哪些方面的知识和素质。

我深深体会到，要想真正了解焊接，只有实践，即学生自己亲自动手试一试，才能更好地将课本上学到的知识充分利用和加以巩固。

这次实验我们首先要熟悉的是埋弧焊机的操作，还有埋弧焊相关的操作要
求，针对不同厚度的钢板应选择的焊接参数，以及埋弧焊进行的相关要求和注意事项，知道了焊接结构中对接是如何实现的。

当然，实验过程与实际生产过程还是有较大出入的，要想真正将所学的知识运用到位，还必须去工厂实践体会。

以前只知道焊后要进行焊缝组织的分析和检测，但不知道如何操作，如何将实验进行下去，不知道用什么指标来评判焊接的好与坏，是否符合要求。

这次实践让我了解到焊接接头显微组织的分析过程以及焊接接头不同区域的硬度测试和分析。

这个实践过程尽管短暂，但这个过程就好比麻雀虽小但五脏俱全，至少让我们了解到焊接接头组织分析过程，以及分析过程中需要使用的仪器。

这样看来，这次实践还是有意义的。

4、参考文献
[1] 杨顺贞. 工程材料实践教程[M] . 北京：机械工业出版社，2011.2
[2] 张文钺. 焊接冶金学[M] . 北京：机械工业出版社，1996.6
[3] 王宗杰. 熔焊方法及设备[M] . 北京：机械工业出版社，2006.12。