實驗指導書
《材料連線原理》
一、實驗目的：
1、觀察硝酸銀的枝晶形態；
2、觀察焊接接頭的巨集觀組織及焊接缺陷；
3、觀察典型焊接接頭的纖維組織的分布及其特徵，了解焊接接頭的焊縫區、熔合線、熱影響區及母材等各種典型結晶形態；
二、實驗概述：
手工電弧焊的焊接過程如圖2-1所示。當電弧在焊條與焊件之間引燃後，電弧熱使焊件（與電弧接觸部分）及焊條末端融化，熔化的焊件和焊條（以熔滴形式下落）形成共同的金屬熔池。焊條外面的藥皮受熱熔化並發生分解反應，產生液態熔渣和大量氣體。
液態熔渣包圍著熔滴，當其進入金屬熔池後，因其比重小而浮在熔池表面。所產生的氣體則包圍在電弧和熔池周圍。
圖2-1 手工電弧焊過程示意圖
1、焊條芯 2、焊條藥皮 3、液態熔渣 4、固態渣殼
5、氣體 6、金屬熔滴 7、熔池 8、焊縫 9、工件
焊條因不斷熔化下滴而應連續向下送進，以保持一定的電弧長度。同時，焊條還應沿焊接方向前進。當電弧離開熔池後，被熔渣覆蓋的熔化金屬就緩慢冷卻凝固成焊縫金屬，液態熔渣也凝固成固態熔殼。
在電弧移達的下方，又形成新的熔池及其上的液態熔渣，以後又凝固成新的焊縫金屬和渣殼。上述過程繼續進行下去，只至整個焊縫被焊完為止。從而形成一條連續的焊縫金屬。
在焊接過程中，由於焊接接頭各部分經受了不同的熱迴圈，因而所得組織各異。組織的不同，導致機械效能的變化。對焊接接頭進行金相組織分析，是對接頭機械效能鑑定的不可缺少的環節。
焊接接頭的金相分析包括巨集觀和顯微分析兩個方面。
巨集觀分析的主要內容為：觀察與分析焊縫成型、焊縫金屬結晶方向和巨集觀缺陷等。
顯微分析的主要內容為：借助於放大100倍以上的光學金相顯微鏡或電子顯微鏡進行觀察，分析焊縫的結晶形態，焊接熱影響區金屬的組織變化，焊接接頭的微觀缺陷等。
焊接接頭由焊縫金屬和焊接熱影響區金屬組成。焊縫金屬的結晶形態與焊接熱影響區的組織變化不僅與焊接熱迴圈有關，而且與所用的焊接材料和被焊材料有密切關係。
（一）焊縫凝固時的結晶形態
熔化焊是通過加熱使被焊金屬的聯接處達到熔化狀態，焊縫金屬凝固後實現金屬的焊接。聯接處的母材和焊縫金屬具有互動結晶的特徵，圖2-2為母材和焊縫金屬互動結晶的示意圖。由圖可見，焊縫金屬與聯接處母材具有共同的晶粒，即熔池金屬的結晶是從熔合區母材的半熔化晶粒上開始向焊縫中心成長的。
這種結晶形式稱為互動結晶或聯生結晶。當晶體最易長大方向與散熱最快方向一致時，晶體便優先得到成長，有的晶體由於取向不利於成長，晶粒的成長會被竭止，這就是所謂選擇長大，並形成焊縫中的柱狀晶形態。
圖2-2 焊縫金屬
（二）不易淬火鋼焊接熱影響區金屬的組織變化
不易淬火鋼包括低碳鋼，16mn、15mnti、15mnv等低合金鋼。現以20號鋼為例，根據其焊接熱影響區金屬的組織特徵，可以分為5個區域，如圖2-3所示。
圖2-3 低碳鋼焊接接頭組織變化圖
1、熔合區 2、過熱區 3、正火區 4、部分相變區 5、再結晶區
1、熔合區
緊鄰焊縫的母材與焊縫交界處的金屬稱為熔合區或半熔合區。焊接時，該區金屬處於區域性熔化狀態，加熱溫度在固液相溫度區間（約1350～1450℃）。在一般熔化焊的情況下，此區僅有2～3個晶粒的寬度，甚至在顯微鏡下也難以辨認。
但是，它對焊接接頭的強度、塑性都有很大影響。
2、過熱
該區的加熱溫度範圍為 1100～1350℃。由於受熱溫度很高，使奧氏體晶粒發生嚴重的長大現象，冷卻後得到晶粒粗大的過熱組織，故稱為過熱區。此區的塑性差，韌性低，硬度高。
其組織為粗大的鐵素體和珠光體。在有的情況下，如氣焊或導熱條件較差時，甚至可獲得魏氏體組織。因此，焊接鋼度較大的結構時，常在過熱區產生裂紋。
3、正火區（重結晶區）
該區加熱溫度在ac3~1100℃之間。在加熱過程中，鐵素體和珠光體全部轉變為奧氏體，即產生金屬的重結晶現象。由於加熱溫度稍高於ac3，奧氏體晶粒尚未長大，冷卻後獲得均勻而細小的鐵素體和珠光體，相當於熱處理時的正火組織，故又稱為正火區或相變重結晶區。
該區的組織比退火（或軋制）狀態的母材組織細小，因此，該區是熱影響區中組織和效能最好的區域。
4、部分相變區（不完全重結晶區）
焊接時，加熱溫度在ac1~ac3之間（約750～900℃）的金屬區域為不完全重結晶區。當低碳鋼的加熱溫度超過ac1時，珠光體先轉變為奧氏體。溫度進一步公升高時，部分鐵素體逐步溶解於奧氏體中，溫度越高，溶解的越多，直到ac3時，鐵素體將全部溶解在奧氏體中。
焊後冷卻時，又從奧氏體中析出細小的鐵素體，一直冷卻到ar1時，殘餘的奧氏體就轉變為共析組織－珠光體。由次可看出，次區只有一部分組織發生了相變重結晶過程，而始終未溶入奧氏體的鐵素體，在加熱時會發生長大，變成較粗大的鐵素體組織，因此，該區域金屬的組織是不均勻的，晶粒大小也不一致，一部分是經過重結晶的晶粒細小的鐵素體和珠光體，另一部分是粗大的鐵素體。由於組織不均勻，因而機械效能也不均勻。
5、母材（再結晶區）
當母材為熱軋狀態**的鋼材時，則該區組織仍保留原始的帶狀組織特徵，如果焊前母材為冷軋狀態**的鋼材，則在加熱溫度為ac1以下的金屬中還存在乙個再結晶區。處於再結晶區的金屬，在加熱的過程中將發生金屬的再結晶過程，即經過冷變形後的碎晶粒在再結晶溫度作用下重新排列的過程。
三、實驗原理、方法和手段
（一）鹽（硝酸銀）枝晶形成
鹽和金屬均為晶體。由液態凝固形成晶體的過程叫結晶。不論鹽的結晶或金屬的結晶都遵循形核和核的長大規律。
形核又分為均勻形核和非均勻形核。通常情況下，由於外來雜質、容器或模壁等的影響，一般都是非均勻形核。晶核形成後通常均按樹枝狀方式長大形成樹枝晶體即枝晶。
由於臨界晶核的尺寸很小，晶核的大小不能用肉眼看到，在實驗室只能見到正在長大的枝晶，通過直接觀察透明鹽類的結晶過程可了解樹枝晶體的形成過程。
實驗過程：在玻璃片上滴上一滴近飽和的硝酸銀溶液，在硝酸銀的水溶液中放入一小段細銅絲，銅將開始溶解，而銀則沉澱出來，在生物顯微鏡下觀察銀的枝晶的生長過程。結晶第一階段是在液滴的最外層形成一圈細小的等軸晶體，結晶的第二階段是形成較為粗大的柱狀晶體，其成長的方向是伸向液滴的中心，這是由於此時液滴的蒸發已比較慢，而且液滴的飽和順序也是由外向裡，最外層的細小等軸晶只有少數的位向有利於向中心生長，因此形成了比較粗大的、帶有方向性的柱狀晶。
結晶的第三階段是在液滴的中心部分形成不同位向的等軸枝晶。這是由於液滴的中心此時也變得較薄，蒸發也較快，同時溶液的補給也不足，因此可以看到明顯的等軸晶體。
（二）焊接接頭巨集觀分析
將試樣在砂紙上打磨至焊縫區無明顯劃痕，且表面光亮無其他物質粘附。用脫脂棉在焊縫處反覆擦拭，觀察焊接接頭的結晶組織方向，以及焊接接頭中是否存在氣孔、裂紋、夾渣等缺陷。
四、實驗組織執行要求
1、實驗前，先認真閱讀實驗指導書的內容，並明確本次實驗的目的和要求。
2、觀察並畫出硝酸銀枝晶形態示意圖。
3、觀察並畫出焊接接頭的巨集觀組織示意圖，觀察焊接缺陷形態及部位。
4、分組集中進行，每組二十人左右，由指導老師首先講解有關實驗原理和實驗方法，然後學生分頭實驗。要求學生做課前預習並做實驗記錄，實驗結束後撰寫實驗報告。
五、實驗條件
1、硝酸銀、砂紙、硝酸、脫脂棉等；
2、金相顯微鏡、生物顯微鏡；
3、焊接接頭試樣一套。
六、實驗報告要求
1、簡述實驗目的、實驗內容；
2、畫出硝酸銀晶體結晶過程及焊縫巨集觀示意圖、對焊縫區各區域加以分析，並說明各區域的組織特點以及其產生的原因。
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