Q345鋼性能分析綜合報告1

1、Q345鋼性能分析綜合報告摘 要本次實驗采用埋弧焊中不開坡口對接接頭懸空雙面焊的方法將兩塊均為9.5mm的Q345鋼板對接。用手工鋸的方法切取焊接接頭金屬試樣，試樣尺寸為。將切取的試樣在砂輪機上粗磨，并將四周倒成圓角。再將試樣在1至6號砂紙上進行細磨。經細磨后的試樣，用清水沖洗以除去磨粒，再進行機械拋光。然后，將拋光后的試樣用4%的硝酸酒精溶液浸蝕1015s，再用酒精擦拭浸蝕部位，用吹風機吹干試樣。最后將制備好的試樣放在金相顯微鏡上觀察并拍攝焊接接頭不同部位的照片，并用維氏硬度計測量焊接接頭不同部位的硬度。在拍攝焊接接頭不同部位顯微組織的照片之前，先拍攝接頭宏觀組織，直觀觀察和分析接頭宏觀缺陷

2、、焊縫成形以及焊縫金屬結晶方向。根據拍攝到的焊接接頭母材、焊縫和焊接熱影響區(qū)的顯微組織的照片分析焊縫的結晶形態(tài)、焊接熱影響區(qū)金屬的組織變化和焊接接頭的微觀缺陷等。在維氏硬度計上測定焊接接頭母材、焊縫和焊接熱影響區(qū)的硬度。根據硬度值在不同區(qū)域內的變化可大概知道不同區(qū)域的組織與硬度的關系。根據硬度與不同組織的對應關系，分析得到熱影響區(qū)的晶粒長大，引起該區(qū)的強度、硬度增大，該區(qū)的塑性、韌性降低。母材與焊縫硬度接近，基本滿足等強匹配的原則。其中，熱影響區(qū)硬度最高，是接頭的薄弱環(huán)節(jié)。關鍵詞：顯微組織分析，維氏硬度，金相試樣制備，埋弧焊1、實驗過程簡述實驗過程中，采用埋弧焊中不開坡口對接接頭懸空雙面焊的方

3、法將兩塊均為9.5mm的Q345鋼板對接。待鋼板冷卻，用手工鋸的方法切取焊接接頭金屬試樣，試樣尺寸為。隨后，用切取的試樣制備金相樣品。切取的試樣表面凹凸不平極為粗糙，需要在砂輪機上進行粗磨，將試樣四周倒成圓角，以免在細磨或拋光時撕裂砂紙或拋光布。再將試樣在1至6號砂紙上進行細磨。經細磨后的試樣，用清水沖洗以除去磨粒，再進行機械拋光。然后，將拋光后的試樣用4%的硝酸酒精溶液浸蝕1015s，再用酒精擦拭浸蝕部位，用吹風機吹干試樣。最后將制備好的試樣放在金相顯微鏡上觀察并拍攝焊接接頭不同部位的照片，并用維氏硬度計測量焊接接頭不同部位的硬度。2、實驗原理2.1 埋弧焊2.1.1 埋弧焊工作原理埋弧焊是

4、電弧在焊劑層下燃燒的一種電弧焊方法。在焊劑層下，電弧在焊絲末端與焊件之間燃燒，使焊劑熔化、蒸發(fā)，形成氣體，在電弧周圍形成一個封閉的空腔，電弧在這個空腔中穩(wěn)定燃燒，焊絲不斷送人，以熔滴狀進入熔池，與熔化的母材金屬混合，并受到熔化焊劑的還原、凈化及合金化作用。隨著焊接過程的進行，電弧向前移動，熔池冷卻凝固后形成焊縫，密度較輕的熔 渣浮在熔池的表面，有效地保護熔池金屬，冷卻后形成渣殼，如圖1所示。 圖1 埋弧焊時焊縫的形成過程焊接時焊絲連續(xù)不斷地送進，其端部在電弧熱作用下不斷熔化，焊絲送進速度和熔化速度相互平衡，以保持焊接過程的穩(wěn)定進行。依據應用場合和要求的不同，焊絲有單絲、雙絲和多絲，有的應用中還

5、以藥芯焊絲代替裸焊絲，或用鋼帶代替焊絲。2.1.2 埋弧焊焊絲與焊劑的匹配埋弧焊焊劑與焊絲的匹配是獲得高質量焊縫的關鍵，焊絲與焊劑的匹配主要依據以下兩方面：（1）被焊材料的類別及對焊接接頭性能的要求 1）在焊接低碳鋼和強度等級較低的低合金鋼時，應按等強原則選用與母材相匹配的焊接材料；2）在焊接低合金高強鋼時，除要使焊縫與母材等強度外，還要特別注意保證焊縫的塑性和韌度；3）在焊接耐熱鋼、低溫鋼和耐蝕鋼時，除了要使焊縫與母材等強度外，還要保證焊縫具有與母材相同或相近的耐熱性、耐低溫性或耐蝕性；4）焊接奧氏體或鐵素體高合金鋼時，主要保證焊縫與母材有相近的化學成分，使焊縫具有與母材相匹配的特殊性能，同

6、時要滿足力學性能和抗裂性能等方面的要求。（2）滿足埋弧焊工藝特點的要求1）稀釋率高 在進行不開坡口的對接焊縫單道焊或雙面焊，以及開坡口的對接焊縫根部焊接時，由于埋弧焊焊縫熔透深度大，母材熔化量大，焊縫稀釋率高，使得焊縫成分在很大程度上取決于母材的成分，因此選用合金元素含量低于母材的焊絲焊接；2）熱輸入高 為了提高接頭強度和韌度，在焊接厚板坡口的填充焊道時，應選用合金成分略高于母材的焊絲并配用中性焊劑焊接；3）焊接速度快 在焊速較大時，應選擇適宜快速焊的焊劑。2.1.3 埋弧焊操作內容（1）焊前準備 由于板比較薄，不用開坡口，可保證焊透和良好的焊縫成形。用鋼絲刷將焊件焊接部位表面的鐵銹、油污、水

7、分、氧化皮等清理干凈。同時，將焊絲表面油污、鐵銹等污物清除干凈。采用250烘干HJ431焊劑。采用對接接頭裝配，焊定位兩焊件。（2）焊接工藝方法 采用不開坡口對接接頭單絲懸空雙面焊。（3）焊接材料 焊絲選用 ，焊劑選用HJ431。（4）焊接參數 如表1 所示。表1 選擇的埋弧焊焊接參數工件厚度/mm焊絲直徑/mm焊 接順 序焊 接電流/A電 弧電壓/V焊接速度/9.54正5503127.7反6003227.72.1.4 注意事項 （1）裝配焊件時要保證間隙均勻，高低平整，錯邊量小，定位焊縫長度一般大于30mm，并且定位焊縫質量與主焊縫質量要求一致。對直焊縫的裝配，在焊縫兩端要加裝引弧板和引出板

8、，待焊后再割掉，其目的是使焊接接頭的始端和末端獲得正常尺寸的焊縫截面，而且還可以除去引弧和收尾容易出現(xiàn)的缺陷。（2）在保證對熔池良好保護的前提下，焊劑在坡口的堆疊高度應盡量低。對回收焊劑過篩，隨時添加新焊劑并充分拌勻后再使用。2.2 金相試樣的制備2.2.1 試樣的制備與觀察原理金屬內部的組織是由各種相組成的，各種相的分布、形態(tài)直接反映了金屬的組織。用金相顯微鏡觀察和研究金屬內部組織的步驟為：首先是制備所取試樣的表面，使其觀察面為光潔程度很高的平面；然后選用合適的浸蝕劑，通過浸蝕使不同的相呈現(xiàn)出來，即可在顯微鏡下觀察顯微組織特征。由于拋光后的試樣表面在顯微鏡下只能看到白亮的一片而看不到其組織細

9、節(jié)，因此必須采用合適的浸蝕劑對試樣表面進行浸蝕，使試樣表面有選擇性地溶解掉某些部分，從而呈現(xiàn)微小的凹凸不平，這些不平在光學顯微鏡的景深范圍可以顯示出試樣的組織形貌、大小和分布。2.2.2 金相試樣制備過程（1）取樣及粗加工 用手工鋸的方法切取試樣，選擇焊縫斷面作為金相磨面，進行粗加工，試樣尺寸為。（2）試樣磨光 將試樣在砂輪機上磨平，并將其四周倒成圓角，以免在細磨或拋光時撕裂砂紙或拋光布。再在1至6號砂紙上進行細磨，經細磨后的試樣，用清水沖洗以除去磨粒即可進行拋光。（3）試樣拋光 在拋光機上進行機械拋光，直到磨面看不到磨痕，且光亮如鏡。拋光后用水沖洗干凈，最后用乙醇洗凈并以熱風吹干。（4）磨面

10、浸蝕 用棉花蘸4%的硝酸酒精溶液擦拭金相磨面，浸蝕1015s，然后用酒精清洗，再用吹風機吹干即可進行顯微組織觀察。2.2.3 注意事項（1）切取試樣不可用砂輪機切割，以防金相組織發(fā)生改變。（2）細磨時應按照細磨的操作要求進行。（3）如浸蝕過度，須重新拋光或細砂紙磨后再拋光浸蝕。2.3 焊接接頭宏觀及微觀組織分析2.3.1 實驗原理焊接是一種非常重要的成形工藝方法，有許多產品和零部件都有焊接工藝環(huán)節(jié)。對這類產品來講，焊接質量就決定了產品的壽命，所以在焊接工序之后進行宏觀和微觀組織檢驗是非常重要的一個環(huán)節(jié)。焊接是局部加熱的過程，焊縫及其附近的母材都經歷一個加熱和冷卻的過程，此過程將引起焊接接頭組織

11、和性能的變化，從而影響焊接質量。在焊接加熱和冷卻過程中，焊接接頭各部分經受不同的熱循環(huán)，主要是最高加熱溫度、加熱速度和冷卻速度不同，因而使得焊接接頭各區(qū)域的組織各異。組織的不同，將導致力學性能的變化。所以對焊接接頭進行金相分析，是對焊接接頭力學性能鑒定不可缺少的環(huán)節(jié)。焊接接頭的金相分析包括宏觀分析和顯微分析兩個方面。2.3.2 焊接接頭的宏觀組織宏觀分析主要內容為：觀察與分析焊縫成形、焊縫金屬結晶方向和宏觀缺陷等。圖2所示為焊接接頭的宏觀組織，可分為三個部分：1.中心為焊縫區(qū)；2.靠近焊縫的是熱影響區(qū)；3.兩邊是未受影響的母材區(qū)。（1）焊縫宏觀現(xiàn)象：1）焊縫成形美觀，正反焊的焊縫相對于中心線偏

12、移；圖2 焊接接頭宏觀組織2）焊縫金屬垂直于熔合線的方向結晶；3）缺陷：未焊透。（2）分析出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因1）焊縫偏移的可能原因：在裝配時，兩焊件錯邊，正反面焊時焊槍偏離了對接中心線的位置，此種情況應避免；2）晶粒沿著最大溫度梯度方向生長，形成粗大的柱狀晶，此種現(xiàn)象合理；3）未焊透的可能原因：環(huán)境溫度過低，沒有預熱，熱輸入量相對偏低；焊接速度過快，線能量偏低；正反焊時，電弧電壓偏高，熱損失較大。2.3.3 焊接接頭的微觀組織顯微分析主要內容為：借助于放大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(tài)、焊接熱影響區(qū)金屬的組織變化和焊接接頭的微觀缺陷等。鋼材焊接后，焊接接頭

13、主要由焊縫和熱影響區(qū)組成。其中焊縫由熔化的母材金屬和填充材料金屬組成，熱影響區(qū)是焊縫兩側發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域。焊縫的組織取決于焊接時達到的最高溫度、高溫停留時間和隨后的冷卻速度。由于從熔化區(qū)到母材區(qū)的變化是連續(xù)發(fā)生的，所以熱影響區(qū)也沒有非常明顯的分界線。焊接接頭組織由焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)兩部分組成，所以焊縫金屬的結晶形態(tài)與焊接熱影響區(qū)的組織變化不僅與焊接熱循環(huán)有關，也和所用的焊接材料和被焊材料有密切關系。焊縫的結晶形態(tài)除了受被焊金屬成分的影響外，還與焊接速度、焊接板厚和接頭形式等工藝因素有關。對于Q345鋼（非淬硬鋼），根據焊接熱影響區(qū)的組織特征，可分為熔合區(qū)、過熱區(qū)、正火區(qū)和部分相變區(qū)

14、等四個區(qū)域。（1）母材顯微組織細密、均勻，Q345鋼母材的顯微組織為均勻而細小的珠光體和鐵素體，如圖3所示。（2）焊縫焊縫組織為鑄態(tài)組織，環(huán)境溫度較低，冷卻較快，焊縫會得到針狀鐵素體、細晶鐵素體和馬氏體。由于雙面焊所采用的焊接 圖3 母材顯微組織 （）參數不同，因而得到不同的焊縫 浸蝕劑：4%的硝酸酒精 組織。正面焊采用較小的焊接電 流，線能量較小，晶粒較細??；反面焊采用較大的焊接電流，線能量較大，晶粒較粗大。正面焊焊縫顯微組織如圖4所示，反面焊焊縫顯微組織如圖5所示。圖4 正面焊的焊縫 （） 圖5 反面焊的焊縫 （）浸蝕劑：4%的硝酸酒精 浸蝕劑：4%的硝酸酒精（3）焊接熱影響區(qū)1）熔合區(qū)焊

15、縫金屬和母材之間的過渡區(qū)，即半熔化去，稱為熔合區(qū)。焊接時，該區(qū)金屬處于局部熔化狀態(tài)，加熱溫度處于固相線與液相線之間。熔合區(qū)在化學成分和組織性能上都有較大的不均勻性，接近母材一側的金屬組織是過熱組織，塑性差。同時又因溫度梯度大，所以熔合區(qū)是很窄的，一般熔焊的情況下，此區(qū)僅有23個晶粒的寬度，甚至在顯微鏡下也難以辨認。但是，它對強度和塑性都有很大影響。在許多情況下，熔合區(qū)是產生裂紋、局部脆性破壞的發(fā)源地。正面焊熔合區(qū)顯微組織如圖6所示，反面焊熔合區(qū)顯微組織如圖7所示。圖6 正面焊的熔合區(qū) （） 圖7 反面焊的熔合區(qū) （） 浸蝕劑：4%的硝酸酒精 浸蝕劑：4%的硝酸酒精2）過熱區(qū)（粗晶區(qū)）該區(qū)的加熱

16、溫度范圍為1100到固相線之間。由于受熱溫度很高，使奧氏體晶粒嚴重長大，尤其在1300以上時晶粒十分粗大，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織。此區(qū)的塑性大大降低，特別是對沖擊韌度的影響尤為顯著（通常降低20%30%），硬度高。其組織為粗大的鐵素體和珠光體。如在氣焊導熱條件較差時，甚至可能出現(xiàn)魏氏組織。如果焊件的剛性很大，則常在此區(qū)域產生裂紋。所以過熱區(qū)與熔合區(qū)一樣，都是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。過熱區(qū)的顯微組織如圖8所示。3）正火區(qū)（細晶區(qū)或相變重結晶區(qū)）此區(qū)加熱溫度在之間。在加熱過程中，鐵素體和珠光體全部轉圖8 過熱區(qū)顯微組織 （） 圖9 正火區(qū)顯微組織 （）浸蝕劑：4%的硝酸酒精 浸蝕劑：4%的硝酸酒

17、精變?yōu)閵W氏體，即產生金屬的重結晶現(xiàn)象。由于焊接時加熱速度很快，在高溫下停留時間又短，再則加熱溫度稍高于，奧氏體晶粒尚未長大，故該區(qū)空冷后，將獲得均勻細小的鐵素體和珠光體組織，相當于熱處理時的正火組織，故又稱為正火區(qū)或相變重結晶區(qū)。該區(qū)是焊接接頭中綜合力學性能最好的區(qū)域，該區(qū)域的組織比退火（或軋制）狀態(tài)的母材組織細小。正火區(qū)顯微組織如圖9所示。4）部分相變區(qū)（不完全重結晶區(qū)）焊接時，加熱溫度在之間的金屬區(qū)域。由于加熱時間短，同時溫度處于范圍內，該區(qū)只有部分鐵素體溶入奧氏體中發(fā)生了相變重結晶過程，成為晶粒細小的鐵素體和珠光體。而未溶的鐵素體則晶粒長大，變成粗大的鐵素體組織。所以此區(qū)域只有部分組織發(fā)

18、生相變重結晶，該區(qū)域金屬的組織不均勻，晶粒大小不一，一部分是晶粒細小的鐵素體和珠光體，另一部分是粗大的鐵素體。由于該區(qū)組織不均勻，因此力學性能也不均勻。不完全重結晶區(qū)的顯微組織如圖10所示。（4）缺陷區(qū)焊接過程中可能出現(xiàn)的缺陷主要有：裂紋、夾雜、咬邊、未焊透、焊瘤等。在本實驗中，出現(xiàn)了焊接接頭未焊透的現(xiàn)象。引起未焊透的原因在“焊接接頭宏觀組織”中已經分析過，這里不再贅述。未焊透將會引起焊接接頭的有效承載截面積降低，并引起應力集中，進而降低接頭的力學性能。圖11為靠近正面焊縫的未焊透部位的顯微圖像。圖12為靠近反面焊縫的未焊透部位的顯微圖像。圖13為未焊透引起的母材畸變。圖10 不完全重結晶區(qū)

19、（） 圖11 靠近正面焊縫的 浸蝕劑：4%的硝酸酒精 未焊透部位 （） 浸蝕劑：4%的硝酸酒精圖12 靠近反面焊縫的 圖13 未焊透引起的母材未焊透部位 （） 組織畸變 （）浸蝕劑：4%的硝酸酒精 浸蝕劑：4%的硝酸酒精未焊透引起母材組織畸變的分析：由圖11、圖12和圖13可看出，在母材未焊透的部位，母材組織的方向發(fā)生了改變，兩焊件貼合部位發(fā)生了塑性變形，并且塑性變形流向為由正面焊縫流向反面焊縫。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因：正面焊縫對接頭有拘束作用，使靠近正面焊縫的母材緊緊貼合在一起。當進行反面焊時，在兩焊件接合處未熔化的母材因熔化母材的凝固收縮作用而相互擠壓發(fā)生塑性變形。由于在正面焊時，靠近正面

20、焊縫的母材已經受到擠壓，所以靠近正面焊縫的母材受擠壓程度大于靠近反面焊縫的母材，即出現(xiàn)塑性變形流向為由正面焊縫流向反面焊縫。未焊透部位發(fā)生較大塑性變形，存在較大應力集中，力學性能降低。2.3.4 注意事項（1）嚴格按照金相顯微鏡的使用要求操作，在旋轉粗調或微調手輪時動作要慢，碰到某種阻礙時應立即停止操作，報告指導老師查找原因，不得用力強行轉動，否則會損壞機件。（2）試樣磨面嚴禁手指直接接觸，倘若不小心碰到，可用酒精擦拭。若出現(xiàn)劃痕，應重新拋光，再浸蝕。2.4 維氏硬度測定2.4.1 實驗原理維氏硬度是用一定的實驗力將一個面夾角為136°的金剛石四棱錐壓頭壓入試樣的被試表面，實驗力經過

21、一定時間（保荷時間）保持后卸除。壓頭會在試樣表面壓出棱形凹陷（稱為壓痕），壓痕為一正方形。測量試樣表面壓痕對角線長度，計算出壓痕的表面積，維氏硬度值與試驗力除以壓痕表面積的商成正比。維氏硬度= ，其中，F(xiàn)表示實驗力， ，表示在相互垂直方向測量的壓痕直徑。2.4.2 維氏硬度表示方法k HV a/b式中，k為維氏硬度值，置于維氏硬度符號HV之前；HV為維氏硬度符號；a為施加的試驗力對應的kgf值；b為試驗力保持時間（s）,1015s不標注。2.4.3 維氏硬度試驗的分類與優(yōu)缺點（1）維氏硬度試驗按試驗力大小的不同，細分為三種試驗，即：維氏硬度試驗、小力值維氏硬度試驗和顯微維氏硬度試驗。（2）優(yōu)缺

22、點1）優(yōu)點：維氏硬度試驗的壓痕是正方形，輪廓清晰，對角線測量準確，因此，維氏硬度試驗是常用硬度試驗方法中精度最高的，重復性也很好；另外，其硬度值與試驗力的大小無關，只要是硬度均勻的材料，可以任意選擇試驗力，其硬度值不變，測量范圍廣。2）缺點：維氏硬度試驗效率低，是要求較高的試驗技術，對于試樣表面粗糙度要求較高，通常需要制作專門試樣，操作麻煩費時，通常只在實驗室中使用。2.4.4 實驗硬度值測定（1）在維氏硬度計上測定試樣磨面上的維氏硬度值，分別測定焊縫、熱影響區(qū)和母材的硬度值。實驗參數和結果如表2所示。表2 Q345鋼顯微硬度測試結果實驗次數壓痕直徑D1/um壓痕直徑D2/um焊接熱影響區(qū)硬度

23、/HV169.9072.45183.0270.4172.62181.3實驗次數壓痕直徑D1/um壓痕直徑D2/um焊縫硬度/HV174.8375.34164.5275.1776.70160.8實驗次數壓痕直徑D1/um壓痕直徑D2/um母材硬度/HV173.6474.66168.6271.9473.30175.8表2中，實驗負荷：4.903 N (500 gf) ；保荷時間：10s 。（2）硬度在不同區(qū)域內的變化圖，如圖14 所示。 圖14 硬度在不同區(qū)域內的變化圖由表2和圖14可看出，焊接熱影響區(qū)的硬度最高，這是因為在焊接熱影響區(qū)的熔合區(qū)、過熱區(qū)晶粒嚴重長大，造成硬度增大；焊縫與母材的硬度接近，基本滿足等強匹配的原則。（3）不同區(qū)域的顯微硬度圖像母材的顯微硬度圖像如圖15所示，焊接熱影響區(qū)的顯微硬度圖像如圖16圖15 母材顯微硬度圖像 圖16 熱影響區(qū)顯微硬度圖像所示，焊縫顯微硬度圖像如