16Mn焊接接头微观组织分析.docx
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16Mn焊接接头微观组织分析
材料性能分析综
训练报告
16Mn焊接接头微观组织分析
专业年级：
金属材料工程2008级
姓名学号：
宋海东**********
指导老师：
杨顺贞、赵建华
评阅人：
摘要：
对16Mn钢板的焊接接头进行了宏观及微观组织分析，观察分析焊缝的各种典型结晶形态，检测分析沿焊口截面上的硬度分布，从而掌握焊口的特点和性能。
1实验过程
1.116Mn钢板焊接
焊接材料为长宽厚是250×40×10（mm）的16Mn钢板，实验所选焊机为型号MZ-1000（A310-1000）埋弧焊机，未开坡口，焊接参数见下表1。
具体操作过程如下：
（1）根据要求，选择H10Mn2焊丝，并安装在焊接小车上；
（2）根据要求，选择HJ431焊剂，并添加在焊接小车漏斗中；
（3）根据要求，选择不开坡口焊接方法；
（4）将待焊处表面清理，并用CO2气体保护焊进行定位焊；
（5）正确放置待焊钢板，使焊接小车前进过程中焊嘴能沿着焊缝移动；
（6）焊接参数按照表1中进行设置，启动小车电源，进行焊接；
（7）正面焊接完成后，待焊件冷却一段时间后清除焊缝表面渣壳，翻转钢板，使钢板反面待焊处对准焊嘴移动轨迹；
（8）根据表1重新设定反面焊接参数，启动电源，进行反面焊接；
（9）焊接完成后，关闭电源，等焊缝冷却一段时间后清理焊缝表面渣壳，并放置在空气中冷却至室温。
表110mm16Mn钢板不开坡口埋弧焊对接接头焊接参数
工件厚度/mm
焊丝直径/mm
焊接顺序
焊接电流/A
电弧电压/V
焊接速度/cm·min-1
10
4
正
535
31
46
反
595
33
46
1.2金相显微试样制备
用金相显微镜来研究金属的显微组织和缺陷的方法称为显微镜分析，显微镜分析能测定金属的晶粒度大小，显露金属的显微组织特征。
在利用显微镜检验以上这些情况时，必须先制备金相试样。
由于金属对一般光线的不透明性，金属试样表面既要平整如镜，又要界限分明，以便在显微视场中不同程度地反射光源，而显示出清晰的图像。
显微镜试样的制备过程如下：
（1）用手工锯条截取出焊缝中部长2-3cm的样品，并去除两边焊接热影响区以外的大部分无用钢板；
（2）截取下的试样表面用锉刀或者砂轮打磨平整，无明显凹凸不平现象；
（3）依次从01号到06号砂纸打磨试样表面，每次换砂纸时打磨方向转换90°，直至上道打磨痕迹消失即可更换下一张砂纸；
（4）06号砂纸打磨完后，把试样表面放在抛光机上进行抛光，直至试样表面无最后一道打磨痕迹，且试样表面平整光亮。
（5）抛光完成后，用4%硝酸酒精溶液对试样表面进行浸蚀10秒左右后再用酒精清洗，最后用吹风机吹干。
1.3金相显微组织的观察与分析
金相显微组织的观察与分析使用的仪器为XJG-05卧式光学金相显微镜。
具体操作过程如下：
（1）仪器的开机：
接通总电源，然后向上扳动仪器的总电源开关，指示灯亮，向上扳动白炽灯开关，指示灯亮，开启相连的电脑；
（2）装上目镜、物镜等（根据要求选择合适倍数的物镜、目镜）；
（3）打开电脑桌面快捷方式进入软件，显示图像；
（4）把试样放在载物台上（试样要经过预磨、抛光、腐蚀）；
（5）调整粗调旋钮、微调旋钮进行调焦，观察电脑屏幕显示的图像，直至观察到清晰的图像为止；
（6）调整载物台位置，找到关心的视场，调整图像的亮度、对比度，进行金相分析；
（7）对图像进行采集和保存（叠加标尺）；
（8）全部完成后，取下物镜、目镜，并收藏好；
（9）仪器的关机：
向下扳动白炽灯开关，指示灯灭。
向下扳动仪器的总电源开关，指示灯灭。
电脑关机，切断总电源。
1.4维氏硬度的测量
在完成试样的微观组织观察与分析后，接着对试样进行维氏硬度测量，测量仪器为HV-5显微维氏硬度计。
具体操作过程如下：
（1）开启电脑和维氏硬度计，打开维氏测量软件；
（2）转动变荷手轮，选择合适的试验力（实验中选择4.903N）。
在硬度计下方按键上选择合适的加载时间（实验中选择10s）；
（3）在菜单里设置好相关数据及试样材料；
（4）转动转盘，使40X物镜处于前方位置（此时光路系统总放大倍率为400X）；
（5）将试样放在十字试台上，转动升降手轮使试台上升，观察电脑屏幕，当试件离物镜下端1mm左右时，屏幕视场内出现明亮光斑，此时应缓慢上升试台，直至屏幕中观察到试样表面清晰成像；
（6）将压头转至前方位置，转动时应小心缓慢地进行，防止过快产生冲击；
（7）按“启动”键，此时加试验力，键盘上显示“10、9、8、……0”秒倒计时，当加载时间重新跳回设定值10时，表示加卸试验力结束；
（8）将40X物镜转到前方，在屏幕中可看到压痕，稍微转动升降手轮将其调到最清楚；
（9）点击电脑屏幕右侧的“图像态”，此时图像中会出现两条红色的竖线，点击鼠标左键将其中一根竖线拖至与菱形横向压痕角相切的位置后，再点击右键将另一根竖线拖至与相对角相切的位置，此时出现确定第一条对角线测量的对话框。
确定后出现两条红色的横线，点击鼠标左键将其中一根横线拖至与菱形竖向压痕角相切的位置，再点击鼠标右键将另一根横线拖至与对角相切的位置。
此时出现维氏硬度测量结果。
确认测量结果。
并按照以上步骤进行其他点的测量。
（10）所有硬度点测量结束后，生成测试报告。
2实验原理与结果分析
2.116Mn钢板焊接性分析及焊接方法选择
2.1.1材料简介
16Mn钢属于碳锰钢，合金含量较少，焊接性良好，焊前一般不必预热。
但由于16Mn钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，所以在低温下（如冬季露天作业）或在大刚性、大厚度结构上焊接时，为防止出现冷裂纹，需采取预热措施。
16Mn的化学成分见表2：
表216Mn化学成分
元素
C≤
Mn
Si≤
P≤
S≤
Al≥
V
Nb
Ti
含量
0.2
1.0-1.6
0.55
0.035
0.035
0.015
0.02-0.15
0.015-0.06
0.02-0.2
根据[1]可用国际焊接学会推荐的CE（IIW）计算16Mn的碳当量：
Ceq=C+Mn/6+Ni/15+Cu/15+Cr/5+Mo/5+V/5
（1）
计算Ceq=0.16+1.04/6=0.333，小于0.4%，可见16Mn钢的焊接性能良好，基本无淬硬倾向，且冷裂敏感系数小。
2.1.216Mn钢焊接方法
（1）16Mn钢手弧焊时应选用E50型焊条，如碱性焊条E5015、E5016，对于不重要的结构，也可选用酸性焊条E5003、E5001.对厚度小、坡口窄的焊件，可选用E4315、E4316焊条。
（2）16Mn钢埋弧焊时H08MnA焊丝配合焊剂HJ431（开I型坡口对接）或H10Mn2焊丝配合HJ431（中板开坡口对接），当需焊接厚板深坡口焊缝时，应选用H08MnMoA焊丝配合焊剂HJ431.
2.1.3结果分析
实验中选用生产效率高、焊接质量好、熔深大、劳动条件好、节约金属及电，特别适合焊接中厚板的埋弧焊焊接方法，比手弧焊焊缝性能稳定，焊接效率高，且去除了因人为因素而造成的结果的误差。
2.2埋弧焊工艺
2.2.1埋弧焊简介
埋弧焊（含埋弧堆焊及电渣堆焊等）是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。
其固有的焊接质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点，使其成为压力容器、管段制造、箱型梁柱等重要钢结构制作中的主要焊接方法。
近年来，虽然先后出现了许多种高效、优质的新焊接方法，但埋弧焊的应用领域依然未受任何影响。
从各种熔焊方法的熔敷金属重量所占份额的角度来看，埋弧焊约占10%左右，且多年来一直变化不大。
2.2.216Mn对接接头埋弧焊工艺
1、焊前准备
（1）由于埋弧焊使用的电流比较大，熔透深度比较大，因此当焊件厚度小于14mm时可以不开坡口，这样仍能保证焊透和良好的焊缝成形。
实验中板厚为10mm，故选择不开坡口。
（2）焊接前，必须将坡口机焊接部位表面的锈蚀、油污、水分、氧化皮等清除干净。
可以选用手工清除（如钢丝刷、风动砂轮等）、机械清除（如喷丸）等。
（3）焊接前，必须将焊丝表面的油污、铁锈等污物清除干净。
为防止氢侵入焊缝，对焊剂必须严格烘干，而且要求烘干后立即使用。
（4）焊件的装配必须保证间隙均匀，高低平整。
定位焊的位置应在第一道焊缝的背面。
2、选择焊接工艺方法
采用悬空双面焊法。
焊接第一面时，焊件背面不用任何衬垫或其他辅助装置。
为防止液态金属从间隙中流失或引起烧穿，要求焊件在装配时不留间隙或间隙小于1mm。
焊接第一面时所用的焊接参数稍小，通常使焊缝的熔深达到或略小于焊件厚度的一半即可，然后翻转焊件，采用比较大的参数焊接，使焊缝的熔深达到焊件厚度的60%-70%，以保证焊件焊透。
3、选择焊接材料
埋弧焊用的焊接材料是焊剂和焊丝。
其中，焊剂在焊接时形成熔渣，一方面起着隔离空气、保护焊接金属不受空气侵害的作用；另一方面起着对熔化金属进行冶金处理的作用，即通过冶金反应清除有害的杂质和过渡有益的合金元素。
焊丝的作用是：
焊接时熔化进入熔池，起到填充和合金化的作用；另外，尚未熔化的焊丝还起着导电的作用。
这两种材料都直接参与焊接化学冶金过程，因此对焊缝的化学成分能产生很大影响。
当被焊材料确定后，焊缝的化学成分在很大程度上取决于焊剂和焊丝的选配，因此，正确选配焊剂和焊丝是埋弧焊工艺的一项重要内容。
埋弧焊焊剂和焊丝的匹配主要依据被焊材料的类别及对焊接接头性能的要求和埋弧焊稀释率高、热输入高、焊接速度快的工艺特点两个方面。
实验中，我们选择H10Mn2焊丝和HJ431焊剂匹配。
H10Mn2焊丝和HJ431焊剂的化学成分分别见表3和表4.
表3H10Mn2焊丝化学成分[2]（GB/T14957--1994）
牌号
化学成分（质量分数，%）
H10Mn2
C≤
Si≤
Mn
Nb
Cr≤
Ni≤
S≤
P≤
0.12
0.07
1.50-1.90
0.015-0.050
0.2
0.3
0.040
0.040
表4HJ431焊剂化学成分[2]
焊剂
化学成分（质量分数，%）
HJ431
SiO2
MnO
Al2O3
CaO
MgO
CaF2
FeO
S
P
40-44
34-38
4
6
5-8
3-7
1.8
0.05
0.05
4、选择焊接参数
查资料[2]得不开坡口的对接接头悬空双面焊的焊接参数见表5.
表5不开坡口对接接头悬空双面焊的焊接参数
工件厚度/mm
焊丝直径/mm
焊接顺序
焊接电流/A
电弧电压/V
焊接速度/cm·min-1
10
4
正
530-570
31
46
反
590-640
33
46
5、其它
包括确定所需的工艺装备、焊缝层间清理的方法，以及制定焊缝缺陷的检查及修补技术等。
2.2.3结果分析
实验结果表明，选用该焊接工艺能获得较理想的焊接接头，焊缝宽度适中，焊缝成形美观，熔深合适。
2.3金相显微镜试样的制备
用金相显微镜来研究金属的显微组织和缺陷的方法称为显微镜分析，显微镜分析能测定金属的晶粒度大小，显露金属的显微组织特征，测定金属的镀层（镀锌、镀铜等）和化学热处理（渗碳、氮化等）扩散层的深度，鉴定金属中非金属夹杂物（氧化物、硫化物等）和各种缺陷。
在利用显微镜检验以上这些情况时，必须先制备金相试样。
由于金属对一般光线的不透明性，金属试样表面既要平整如镜，又要界限分明，以便在显微视场中不同程度地反射光源，而显示出清晰的图像。
显微镜试样的制备过程如下：
（1）试样的截取和磨平
金相试样是用手锯车床来截切的。
若金属很脆（如白口铁），可用锤下小快样品，若合金很硬则用细的人工刚玉（氧化铝）或金刚砂轮片切截样品。
截下的试样表面要用砂轮磨平或锉刀挫平。
（2）磨光
试样的磨光是将磨平的试样表面用砂纸磨光，以消除粗大的磨痕，磨光可在磨片机进行（机械磨光），也可用手工磨光，手工磨光是在金相砂纸上进行，金相砂纸按粗细分为01号、02号、03号、04号、05号、06号等6种，磨光时依次从01号磨到06号，但一般钢铁试样磨到04号已经足够细了。
手工磨光的操作方法：
先在厚玻璃板上铺上01号砂纸，用手将试样需磨表面压在砂纸上，然后沿与粗磨后磨痕方向垂直方向进行磨削，直到消除前一道磨痕为止。
用同样的方法从粗到细依次换上各重砂纸进行磨制。
磨好的试样表面具有很细的摸痕且呈银白色。
手工磨光操作要领：
1压在试样上的力要均衡，试样表面与砂纸完全接触并向前推动（不要往后拖）。
②每换一种号数的砂纸磨制时，磨制方向都应与上一道磨痕方向垂直，并注意勿使前一道磨制的砂粒掉在细砂纸上，磨片和手都要洗净。
（3）抛光
抛光的目的在于保持不变形地消除表面遗痕，而获得无疵的镜面。
抛光法有三种：
机械法、电解法和化学机械法。
本次实验采用机械抛光法。
机械抛光法是在转动的圆盘抛光机上进行。
圆盘上敷以尼绒抛光布，并用抛光剂润滑抛光济为金刚砂、氧化铬粉等，和水调成悬浊液）。
抛光时，将式样麻面平整地压在已有的抛光机的圆盘表面上，并随时转动试样和适当添加抛光济，抛光铁和钢时，一盘不超过3分钟，待麻痕消除，磨面具有光亮的镜面为止，然后用水冲洗，并继续以酒精洗涤，再用棉花、滤纸有干或用冷风吹干，对于比较精密的不能擦干，不能擦干或烘干。
（4）浸蚀
抛光后的试样，除观察钢中的非金属夹杂物或铸铁中的石墨可以不经浸蚀外，一般均应浸蚀才能观察到显微组织。
例如纯铁试样经磨平、磨光和抛光后，这是在显微镜下只观察到一个亮的表面，经浸蚀后，由于晶界易浸蚀而凹陷，光线在晶界产生漫射作用，在显微镜下呈现暗黑色线条，因而显示出晶界的形状，晶粒的不同染色或呈现明暗的区别是由于晶粒的方向性或不同的截面上晶粒性质的不同，使我们不但观察到晶界，而且观察到各种不同光彩不同亮度的晶粒。
浸蚀的方法有浸入擦蚀法，浸入法是把抛光洗涤干净后的试样表面直接浸入腐蚀剂中数秒中，擦蚀法是用夹钳将棉花蘸药剂后，在试样表面轻轻擦拭。
在一般情况下，试样表面微微发暗和失去金属光泽是蚀透的标志。
对于不同的金属和合金，以及研究的目的不同，所用浸蚀剂和浸蚀程度是不同的，这都要根据具体情况而定。
通常对钢铁试样采用4%的硝酸酒精溶液浸蚀就可达到一般所需要的目的。
2.4焊接接头的微观观察与分析
2.4.1金相显微镜的构造和使用方法
1、金相显微镜由三部分构成：
（1）机械系统：
其作用在于通过转动粗动手轮和微调手轮以调节焦距，在观察者眼中造成一清晰的象，另一方面通过移动载物台，以观察试样上不同部位的组织。
（2）光学系统：
主要由目镜和物镜所组成，显微镜放大倍数为目镜和物镜单独放大倍数的乘机，物镜是由许多不同形状的透镜所组成，目镜是由两个平凸透镜组成。
（3）照明系统：
由于金属不是透明的，为供给试样照明需要，一般使用垂直照明。
2、使用方法
祥见实验过程中1.3节。
2.4.2熔池凝固和焊缝固态相变
1、熔池凝固
熔焊时，在高温热源的作用下，母材将发生局部熔化，并与熔化了的焊丝金属搅拌混合而形成焊接熔池。
与此同时，进行了短暂而复杂的冶金反应。
当焊接热源离开以后，熔池金属便开始凝固（结晶）。
根据成分过冷理论的分析，由于过冷程度的不同，就会使焊缝组织出现不同的形态。
根据大量的实验工作，进行分析、归纳，大致可分为五种结晶形态：
平面结晶、胞状结晶、胞状树枝结晶、树枝状结晶和等轴结晶。
[3]
2、焊缝固态相变
根据低合金钢焊缝化学成分和冷却条件的不同，可能出现以下四种固态转变组织：
（1）铁素体转变
A）先共析铁素体：
是焊缝冷却到较高温度下，由奥氏体晶界首先析出，一般情况下，呈细条状分布在奥氏体晶界，有时也呈块状。
B）侧板条铁素体：
是从奥氏体晶界先共析铁素体的侧面以板条状向晶内成长，从形态上看有如镐牙状。
C）针状铁素体：
在原始奥氏体晶内以针状分布，常以某些质点为核心放射性成长。
D）细晶铁素体：
在奥氏体晶粒内形成，介于铁素体与贝氏体之间的转变产物。
（2）珠光体转变
焊接条件是属于非平衡的介稳状态，所以一般情况下，低合金钢焊缝的组织固态转变很少能得到珠光体转变，除非在很缓慢的冷却条件下，才有少量珠光体组织存在。
（3）贝氏体转变
贝氏体转变属于中温转变，此时合金元素已不能扩散，只有碳还能扩散。
按贝氏体形成的温度区间及其特性来分，可分为上贝氏体和下贝氏体。
（4）马氏体转变
当焊缝金属的含碳量偏高或合金元素较多时，在快速冷却条件下，奥氏体过冷到Ms温度以下将发生马氏体转变。
根据含碳量不同又可分为板条马氏体和片状马氏体。
2.4.3焊接接头的显微组织
熔焊时焊接接头的形成，一般都是要经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变，直至形成焊接接头。
焊接接头由焊缝金属、熔合区和热影响区三部分组成[4]。
1、焊缝
焊缝起着连接金属和传递力的作用。
它是在焊接过程中由填充金属（当使用时）和部分母材熔合后凝固而成。
焊缝金属的性能取决于两者熔合后的成分和组织。
如图1所示，16Mn钢母材组织由块状的铁素体与珠光体构成。
2、熔合区
熔合区是接头中焊缝与热影响区相互过渡的区域，是焊缝边界上固液两相交错地共存的部分。
此区很窄，但却是接头中最薄弱地带，许多焊接结构破坏的事故，常因该处的某些缺陷而起，如冷裂纹、脆性相、再热裂纹等。
16Mn熔合区的显微组织如图2。
3、过热粗晶区
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，奥氏体晶粒严重长大。
在气焊和电渣焊的条件下常出现魏氏组织
4、相变重结晶区
此区加热温度在Ac3-1100℃之间。
该区能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。
该区是焊接接头中综合力学性能最好的区域。
5、不完全重结晶区
加热温度在Ac1-Ac3之间的金属区域。
该区域金属的组织不均匀，只有部分组织发生相变重结晶，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。
力学性能也不均匀。
图1母材显微组织图2熔合区显微组织
图3焊缝显微组织图4热影响区显微组织
2.5维氏硬度测定
实验中用的是HXD-1000TMC显微硬度计。
2.5.1维氏硬度试验原理
显微维氏硬度的原理是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬度值的。
试验所用的压头是两相对面夹角a为136°的金刚石四棱锥体。
图1维氏硬度试验原理图图2实验中维氏硬度测量图
显微维氏硬度主要是用来测定各种组成相的硬度以及研究金属化学成分、组织状态与性能的关系。
显微维氏硬度用Hv表示[5]。
（2）
----式中，F以gf为单位，d以μm为单位。
2.5.2维氏硬度结果分析
如表6所示为焊接接头的维氏硬度值分布情况，表中1、2、3为母材区硬度值，4、5为热影响区硬度值，6、7为焊缝硬度值。
分析表6可知，母材处硬度值较低且比较稳定，间接说明测量方法正确，母材成分均匀。
热影响区硬度值最高，因为过热粗晶区存在大量粗大魏氏组织，相变重结晶区组织相当于热处理时的正火组织，不完全重结晶区存在粗大的铁素体，这些都导致热影响区硬度值上升。
焊缝区硬度值略高于母材，因为采用的是等强匹配，当拘束力过大以及淬硬倾向较大时就会出现焊缝硬度过高的情况。
此时，焊缝的韧性和抗裂性都比母材要差。
表6焊接接头硬度分布
3感想
经过这次从取材、设定工艺、焊接成型到提取试样、制备试样以及最会对试样进行分析这整个过程，我深刻地感受到我们所学知识的重要性和相通性。
觉得这次关于材料性能分析的训练很有价值，可能从中没有学到什么新的知识，在处理数据和分析问题的时候也感觉到自己力不从心，没有很好地学透以前的知识，但是它具有一种领导性的作用，能把以前学得都用在一起，给人一种迫切串联知识的感觉。
总的说来，这个训练应该值得珍惜和回忆，这样的机会以后也要多多寻找和把握。
参考文献：
[1]张文钺.焊接冶金学：
基本原理[M].北京：
机械工业出版社，2008.
[2]王宗杰.熔焊方法及设备[M].北京：
机械工业出版社，2006.
[3]王从曾.材料性能学[M].北京:
北京工业大学出版社，2010.
[4]陆亚珍.焊接结构分析与制造[M].北京:
中国水利水电出版社，2010.
[5]张文钺主编.金属熔焊原理及工艺.上册，北京：
机械工业出版社，1980.
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