Metody badania materiałów i układów mechatronicznych - Instytut ...

Politechnika Łódzka
Wydział Mechaniczny
Instytut Inżynierii Materiałowej
LABORATORIUM
NAUKI O MATERIAŁACH
Ćwiczenie nr 2
Temat: Metody badania materiałów i układów mechatronicznych.
Łódź 2010

BADANIA METALOGRAFICZNE
Metalografią nazywamy dział metaloznawstwa, który zajmuje się opisem struktury metali i stopów
przy wykorzystaniu metod mikro, makro.
BADANIA MAKROSKOPOWE
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie mikroskopowych metod badań ( okiem nieuzbrojonym lub przy
kilkukrotnym powiększeniu) materiałów, elementów maszyn i narzędzi w celu określania jakości i/lub
wad będących wynikiem procesów odlewniczych, spawalniczych, przeróbki plastycznej, obróbki
cieplnej oraz cieplno chemicznej.
2. Wiadomości teoretyczne
Badania makroskopowe (PN-EN 1321:2000, ISO17639)
Badania makroskopowe przeprowadza się przy pomocy lup o powiększeniu do 30 razy lub
„okiem nieuzbrojonym”. Dzięki tego typu badaniom jesteśmy w stanie ocenić jakość
materiału gotowych wyrobów lub półfabrykatów.
Podczas tych badań możliwe jest wykrycie:
-nieciągłości materiału: pęknięcia, zawalcowań, jam skurczowych, pęcherzy podskórnych
-niejednorodności chemicznych
-niejednorodności strukturalnych (stali, surówek, żeliwa i innych stopów).
Badania makroskopowe wykonuje się na powierzchni próbki wypolerowanej lub wytrawionej,
przy pomocy odpowiedniego odczynnika.
Należy pamiętać, że sposób pobierania próbki do badania nie powinien wpływać na
wyniki badań.
Odczynniki do badań makroskopowych:
- odczynniki do trawieniu powierzchniowego takie jak odczynnik Heyna, Anczyca, Adlera
zawierają sole miedzi, które osadzają się w miejscach bogatych w żelazo natomiast miejsca
bogatsze w C, P i S zostają znacznie zaciemnione.
- odczynniki do głębokiego trawienia, czyli wodne roztwory kwasów działają korodująco na
powierzchnię metalu najbardziej w miejscach nieciągłości w postaci por, zażużleń, pęknięć
lub rzadzizn materiałowych a także w miejscach niejednorodnych strukturalnie, czyli w osiach
dendrytów, warstwach zahartowanych, spoin lub wtopień.
Odczynniki do trawienia próbek w badaniach makroskopowych (PN-CR12361:2002).
Materiał Nazwa i skład odczynnika Warunki
wykonania próby
Stal
Jacewicza
Szlif zgrubny,
38cm 3 HCl + temp. 60 - 70°C,
+ 12cm 3 H 2 S0 4 (l,83) + czas 15 - 60 min
+ 50 cm 3 H 2 0
Stal 100 cm 3 HC1 (1,19) +
+100 cm 3 H 2 0
Szlif zgrubny,
temp. pokojowa,
czas do 24 h lub
temp. 60 - 80°C,
czas 15 - 60 min
Zastosowanie i działanie
odczynnika
Głębokie trawienie.
Roztrawia nieciągłości
materiału i większe
skupiska wtrąceń niemetalicznych.
Ujawnia
włóknistość
jw.

Stal
Stal
Stal
Stal
Stal
Stal
Stal
Aluminium i
jego stopy
Aluminium i
jego stopy
Miedź i jej
stopy
Miedz i jej
stopy
Anczyca
2gCuS0 4 *5H,0 +
+ 8gNH 4 Cl + 100cm 3 H 2 O
Heyna
10gCuCl 2 *3NH4Cl*2H 2 O +
+100 cm 3 H 2 0
Oberhoffera
0,5 g SnCl 2 + 1 g CuCl 2 +
+ 30 g FeCl 3 +
+ 50 cm3 HC1 (1,19) +
+ 500 cm8 H 2 O i 500 cm3
alkoholu etylowego
Fry'a
120 cm3 HC1 (1,19) +
+ 90 g CuCl2 + 100 cm8
H20
Baumanna
2 - 5 cm3 H2SO4 (1,84) +
+ 100 cm3 H20
Adlera
3 g CuCl2*2NH4CI*2H20 +
+ 50cm3HC1 + 15gFeCl3 +
+ 25 cm3 H20 lub 10%
roztwór HNO 3 w alkoholu
etylowym
Nasycony roztwór wodny
chlorku miedziowoamonowego
CuCl 2 -3NH 4 Cl-2H 2 0
60 cm3 HF (40%) + + 180
cm3 HC1 (1,19) + + 60 cm3
HNO3 (1,4) + + 1000 cm3
H20
1 g NaOH + 100 cm3 H20
10 - 20 cm3 - (40%) HF +
+ 100 cm3 H 2 O następnie
trawić w stężonym HCl
10 g nadsiarczanu amonu +
100 cm3 H20
10% roztwór wodny NH 3 z
kilkoma kroplami wody
utlenionej
Szlif gładki,
temp. 20°C,
czas do 5 min
jw.
Szlif b. gładki,
temp. 20°C, czas do
60 s
Szlif gładki, temp.
20°C, czas 5 - 30
min
Szlif gładki, temp.
20°C, czas do 5 min
Szlif b. gładki,
temp. 20°C, czas
ok. 60 s
Szlif gładki, temp.
20°C, czas 1 - 2
min
Szlif gładki, temp.
20°C, czas kilka
minut
Szlif gładki
Szlif gładki. Należy
stosować zaraz po
zrobieniu
Szlif gładki
Ujawnienie segregacji
fosforu (struktury pierwotnej
i włóknistości).
Miejsca o podwyższonej
zawartości fosforu są
ciemniejsze
jw.
Ujawnienie segregacji
fosforu, a więc wykrywanie
struktury pierwotnej i
kierunku przebiegu
włókien. Miejsca 0 obniżonej
zawartości fosforu są
ciemniejsze
Ujawnienie linii płynięcia
w miękkiej stali. Efekt
zwiększa się po uprzednim
podgrzaniu próbki przez 30
min w temp. 200 - 300°C
Ujawnianie segregacji
siarki. Miejsca wzbogacone
w S dają na papierze
fotograficznym ciemne
plamy
Trawienie spoin; ujawnia
warstwy spoiny i strefę
wpływu ciepła
Wytrawianie pęknięć
wodorowych (płatków
śnieżnych)
Niejednorodności strukturalne,
pęknięcia
jw.
jw.
jw.

Z najczęściej spotykanych badań makroskopowych wyróżniamy:
-badania makroskopowe materiału po procesie odlewania:
-dzięki tego rodzaju badaniom istnieje możliwość ustalenia jamy usadowej, czyli
wewnętrznych nieciągłości metalu powstałych przy krzepnięciu rzadzizny (zażużlonej
lub trans krystalicznej) przejawiającej się wyraźnym występowaniem kryształów
słupowych, segregacji strefowej oraz segregacji dendrytycznej.
-badania makroskopowe materiału po przeróbce plastycznej:
-dzięki tego rodzaju badaniom istnieje możliwość analizy poprzecznej lub podłużnej
próbki poddanej procesom stalowniczym (pozostałości jamy usadowej, niezgrzane
pęcherze gazowe, segregacja strefowa) po szlifowaniu oraz zapoznanie się z
rezultatami przeróbki plastycznej. Wady, jakie można wykryć to podłużne rysy
walcownicze, pęknięcia, naderwania, linie Ludersa.
-Próba Baumana (PN-87/H-04514) pozwala na zapoznanie się z rozmieszczeniem
siarki w próbce, dzięki zachodzącej reakcji chemicznej między siarką z powierzchni
próbki, 5% wodnym roztworem H2SO4 a emulsją bromosrebrowego papieru
fotograficznego.
MnS(FeS) + H 2 S0 4 – MnSO 4 (FeSO 4 ) + H 2 S
H 2 S + 2AgBr - Ag 2 S + 2HBr
Powstałe zaciemnienia siarczku srebra powstałe na papierze fotograficznym
wielkością i kształtem odpowiadają skupieniom siarki w stali jednak próba ta nie jest
próbą ilościową a na podstawie zanieczyszczeń można wnioskować o poprzedniej
przeróbce plastycznej materiału, o obecności pozostałości jamy usadowej oraz skupień
fosforu.
-badania makroskopowe złącz spawanych:
-dzięki tego rodzaju badaniom istnieje możliwość ujawnienia błędów kształtu
geometrycznego i wymiarów spoiny, strefy wpływu ciepła, wad budowy spoiny
(rozlewy, nawisy, podtopy, wycieki) oraz nieciągłości metalu, spoiny i złącza. Wady
mogą być spowodowane niewłaściwą techniką wykonania spoiny lub niewłaściwym
składem chemicznym otuliny lub zanieczyszczeń stopiwa.
-badania makroskopowe części po obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej:
-dzięki tego rodzaju badaniom istnieje możliwość określenia rodzaju obróbki cieplnej,
wykrycia przegrzania, oceny równomierności grubości warstw zahartowanych,
nawęglonych lub odwęglonych powierzchni na przełomach lub szlifach elementów.
O ile to możliwe badania wygodniej wykonywać na specjalnie przygotowanych
próbkach kontrolnych.
-badania makroskopowe przełomu zmęczeniowego:
-dzięki tego rodzaju badaniom istnieje możliwość określenia obecności lokalnych
odkształceń plastycznych a także mikro i makropor.
Oglądając powierzchnie złomów zmęczeniowych wyróżnić można rodzaj strefy
zmęczeniowej wraz z ogniskiem złomu, strefą linii spoczynkowych, strefą złomu
resztkowego, co pozwala na określenie rodzaju naprężeń okresowo zmiennych oraz
ich wielkości.

Rys. 1. Złom zmęczeniowy
1- ognisko
2- strefa pęknięcia zmęczeniowego z liniami spoczynku
3- strefa pęknięcia doraźnego
Wygląd złomu zmęczeniowego zależy od rodzaju i wielkości obciążeń
zmęczeniowych, jakie spowodowały zniszczenie. Dzięki tej zależności na podstawie
obserwacji mikroskopowych złomu można odtworzyć charakter obciążeń oraz ustalić
położenie ogniska pęknięcia. O wartości naprężenia zmiennego decyduje wielkość
pola powierzchni strefy pęknięcia zmęczeniowego. Im mniejsza jest ta strefa pęknięcia
zmęczeniowego w porównaniu ze strefą pęknięcia doraźnego tym większa jest
wartość naprężenia zmęczeniowego. Duże pole powierzchni strefy pęknięcia
zmęczeniowego (bardziej wygładzonej), świadczy o małym naprężeniu małej
prędkości rozprzestrzeniania pęknięcia.
-badania makroskopowe zużytych i zniszczonych materiałów:
-dzięki tego rodzaju badaniom istnieje możliwość określenia stopnia zużycia
eksploatacyjnego jakościowego i ilościowego części. Zmiany te dotyczą wymiarów
geometrii, masy i składu chemicznego, struktury i stanu naprężeń, obejmując swym
zasięgiem przede wszystkim warstwy przypowierzchniowe, a niekiedy całe części.
Zużyciem nazywamy trwałe, niepożądane zmiany zachodzące w czasie eksploatacji
w sposób ciągły w wyniku, czego okres wykonywanej przez dane urządzenie pracy
stopniowo wyczerpuje się.
Część nadająca się do dalszej eksploatacji to część uszkodzona natomiast część
przeznaczona do kasacji to część zniszczona.
Trwałością nazywamy odporność materiału na zużycie (postępujące niszczenie
powierzchni pod działaniem otoczenia, przy stabilności struktury w warunkach pracy
elementu). W odróżnieniu od zjawisk wytrzymałościowych powodujących de kohezję,
zużycie powoduje uszkodzenie powierzchni i tylko w szczególnych przypadkach
w połączeniu ze zmianami struktury może być przyczyną pęknięcia. Wraz
z uszkodzeniem powierzchni rośnie jej chropowatość i zmniejszają się wymiary
przekrojów elementu, czyli powiększa opory tarcia, stwarza nadmierne luzy i drgania
oraz generuje dodatkowe naprężenia.
Na trwałość materiału zasadniczy wpływ wywiera stabilność mikrostruktury a także
stan naprężeń, geometria powierzchni, właściwości fizykochemiczne (adhezja,
adsorpcja) w warstwie wierzchniej.
W zależności od zjawiska powodującego zniszczenie wyróżnia się:
-zużycie cierne powodowane tarciem;
-zużycie kawitacyjne powodowane kawitacją;
-zużycie korozyjne powodowane agresywnym działaniem środowiska.

BADANIA MIKROSKOPOWE
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie:
-metod badań metalograficznych mikroskopowych przy użyciu mikroskopów optycznych,
-budowy mikroskopów metalograficznych optycznych.
2. Wiadomości teoretyczne
POBIERANIE PRÓBEK
Badania mikroskopowe przeprowadzane są w celach oceny:
-rodzaju
-wielkości
-kształtu
-rozmieszczenia składników strukturalnych w badanym materiale.
Badania polegają na obserwacji pod mikroskopem gładkich i płaskich powierzchni (zgładów)
trawionych w odpowiedni sposób zależny od rodzaju materiału i wykrywanych składników
strukturalnych. Badania mikroskopowe przeprowadzane są na małych, odpowiednio wyciętych z
większego kawałka materiału próbkach.
Wycinanie próbek może odbywać się różnymi sposobami, jednak w taki sposób, aby wycinanie
odbywało się bez naruszenia badanej struktury lub usunięcia badanej warstwy powierzchniowej.
W przypadku, gdy zachodzi konieczność zachowania nieodkształconej krawędzi próbki
i nieuszkodzonej warstwy sąsiadującej z tą krawędzią, należy przed wycięciem próbki pokryć
powierzchnię przedmiotu galwaniczną warstwą metalu innego niż badany.
Kształt i wymiary próbki maja duży w pływ na jakość wykonania szlifu. Najlepszym okazuje się szlif
o powierzchni 1 do 2 cm 2 o kształcie kwadratowym lub okrągłym o wysokości 8 do 15mm.
Ułatwieniem w wykonaniu szlifu może okazać się sfazowanie krawędzi próbki.
INKLUDOWANIE PRÓBEK
Inkludowanie próbek przeprowadza się w przypadku, gdy próbki lub badane powierzchnie są na tyle
małe, że powstają trudności z przeprowadzeniem operacji ich szlifowania i późniejszego polerowania.
Dzięki zainkludowaniu próbek w niskotopliwej substancji niemetalicznej lub stopie metalowym
zwiększamy powierzchnie szlifu i wysokość próbki.
Małe próbki, o ile to możliwe, można także umieszczać w specjalnych uchwytach wykonanych z
dwóch płytek metalowych ściąganych śrubami. Próbkę taką mocuje się w taki sposób, aby
powierzchnia polerowana była na jednym poziomie z odpowiednimi powierzchniami zacisku.
W celu ochrony krawędzi próbki przed uszkodzeniem oraz polepszenia przylegania do zacisku próbek
o nieregularnych kształtach wkłada się cienkie blaszki miedziane między próbkę i płytki zacisku.
4
1
3
2
Rys.1. Zacisk do inkludowania próbek
1- płytki, 2- śruby, 3- blaszki miedziane, 4- próbka

Obecnie o wiele szersze zastosowanie znalazło inkludowanie próbek w tworzywach sztucznych takich
jak epidian.
Rys.2. Schemat inkludowania w masach plastycznych
1- matryca, 2- stempel, 3- płytka, 4- próbka, 5- masa
plastyczna, 6- spirala grzałki elektrycznej, P- nacisk
WYKONANIE SZLIFU
Wykonanie szlifu przeprowadza się następująco:
1) wyrównanie odpowiedniej powierzchni i szlifowanie zgrubne na papierach o
ziarnistości 60 do 800.
-przenosząc szlifowanie próbki z papieru o większej ziarnistości na papier o ziarnistości
mniejszej należy próbkę jak i ręce dobrze przepłukać w wodzie
3) polerowanie.
Przy polerowaniu można także stosować można także specjalnych past polerskich,
którymi pokrywa się powierzchnie tarcz polerskich.
Natychmiast po zakończeniu polerowania, szlif powinien być starannie spłukany w
silnym strumieniu wody i bardzo szybko osuszony w strumieniu sprężonego
powietrza. Jeśli po osuszeniu, powierzchnia szlifu pozostanie matowa lub z zaciekami,
należy przepolerować ją ponownie na zwilżonej tarczy.
Rys. Złe wypolerowanie próbki
Po wypolerowaniu, powierzchnia szlifu powinna być zupełnie lustrzana, gładka, bez
rys i płaska.
Rysy na wypolerowanym szlifie nie powinny być widoczne ani okiem nieuzbrojonym,
ani pod mikroskopem.

Rys. Dobre wypolerowanie próbki
Szlif niedobrze wykonany można poprawić tylko przez ponowne szlifowanie
i polerowanie. Szlifu nie wolno dotykać palcami, gdyż nie powinien być zatłuszczony.
W celu oceny mikrostruktury wytrawiany wcześniej przygotowany zgład
w specjalnych odczynnikach (PN-61/H-04503 i PN-75/H-04512):
Odczynniki do trawienia metali
Rodzaj stopu Skład odczynnika Sposób trawienia Zastosowanie
Stopy Fe-C
Stopy Fe-C
Stale węglowe i
niskostopowe
Stale węglowe i
stopowe do ulepszenia
Stale stopowe
chromowe i
szybkotnące
Stopy miedzi
Stopy miedzi
Nital - MilFe
1 - 5cm 3 HN03+ 100 cm
alkoholu etylowego
Pikral - Mi3Fe 2—5 cm 3 kwasu
Kilka sekund do kilku
minut w zależności od
rodzaju i stopu
pikrynowego +100 cm 3 alkoholu minut w zależności od
etylowego
Zasadowy pikrynian sodu —
Mi9Fe
25 g NaOH + 2 g kwasu
pikrynowego + 75 g H20
Mi7Fe
5 cm 3 kwasu pikrynowego +
0,5% alkilosulfonianu sodu
(teepol) +100 cm 3 H20
Mi13Fe
10 g żelazicyjanku potasu +
+ 10 g wodorotlenku potasu +
+ 100 ml H20
Mi20Cu
10g nadsiarczanu amonu
(NH4)2S2O3+
- 20 cm 3 NH4OH +
- 80 cm 3 H 2 0
Mi19Cu
20 g bezwodnika kwasu
chromowego +
+ 5 cm3 HN08 (1, 4) +
+ 75 cm3 H20
Kilka sekund do kilku
rodzaju stopu
Temp. 60~100°C, kilka
do kilkunastu minut
Temp. ok. 55°C, czas
traw. 1 - 3 min
W temp. pokojowej
Temp. 20°C, płukanie
alkoholem
Temp. 20°C, płukanie
alkoholem
Ujawnia granice ziaren i
składniki strukturalne
stopów
jw.
Zabarwia na brunatny kolor
cementyt i azotki żelaza -
ferryt pozostawia jasny
Ujawnia granice ziaren
austenitu w stalach
zahartowanych i
odpuszczonych
Do stali stopowych
narzędziowych. Trawi
węgliki stopowe. Do stali
18-8. Trawi wysokotemperaturowy
ferryt
Ujawnia granice ziaren
Ujawnia granice ziaren

Stopy miedzi
Stopy aluminium
Stopy aluminium
Do cynku
Do cyny i stopów
Do ołowiu i stopów
Mi23Cu
100 g nadsiarczanu amonowego
+1 dm3 wody
Mi1Al
0,5 cm3 HF (1,13) + + 99,5 cm3
H20
Mi7Al
1 g NaOH + 100 cm3 H20
Ni35Zn
5 cm3 HN0 3 (1,4) +
+ 95 cm3 alkoholu etylowego
Mi38Sn
15 cm3 HNO3 (1,4) +
+ 95 cm3 alkoholu etylowego
Trawienie na zimno lub w
60°C, płukanie wodą lub
alkoholem
Temp. 20°C, płukanie wodą
lub alkoholem
Temp. 50°C, czas 5 - 180 s,
płukanie 5% HNO3 i wodą
lub alkoholem
Temp. 20°C, płukanie
alkoholem
Temp. 20°C, płukanie
alkoholem
Mi42Pb
Temp. 20°C, płukanie
5 cm3 kwasu octowego lodowatego alkoholem
+ 95 cm3 alkoholu etylowego
Ujawnia granice ziaren
Ujawnia granice ziaren i fazy
międzymetaliczne
Ujawnia fazy międzymetaliczne
w stopach z Cu, Ni
Ujawnia granice ziaren
Ujawnia granice ziaren.
Wytrawia fazy bogate w Pb
Ujawnia granice ziaren i
struktury pierwotnej w stopach
z Sb
BADANIA DEFEKTOSKOPOWE
PN-EN 1330-1:2001
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z zasadami badań defektoskopowych oraz z ich
zastosowaniem w praktyce przemysłowej.
2. Wiadomości teoretyczne
Badania defektoskopowe wykorzystywane są do wykrywania wad wewnętrznych, takich jak:
pęknięcia, pory, pęcherze, rzadzizny i inne nieciągłości, oraz większych wtrąceń niemetalicznych, bez
zniszczenia badanego elementu. Ich zaletą jest możliwość stu procentowej, a nie jak z przypadku
metod niszczących tylko wyrywkowej kontroli.
Podstawowe badania defektoskopowe to:
-wizualne (PN-EN 970:1999/Ap1:2003):
-dzięki tym badaniom możemy ocenić strukturę materiału okiem nieuzbrojonym lub za
pomocą lupy o kilkukrotnym powiększeniu w celu orientacyjnego określenia wad procesu
technologicznego a więc wad odlewniczych, spawalniczych, przeróbki plastycznej itd.
-ultradźwiękowe (PN-EN 583-1:2001/A1:2006, PN-EN 1330-4:2002):
-służą do wykrywania wad materiałów znajdujących się wewnątrz grubych przedmiotów.
Metoda ta wykorzystuje rozchodzenie się drgań mechanicznych przy częstotliwości 20000
drgań na sekundę w ośrodkach metalicznych tj. ciekłych, gazowych natomiast próżnia stanowi
dla tych fal nieprzebytą barierę. W badaniach tych można zauważyć wpływ właściwości
sprężystych i jednorodności struktury materiału na rozchodzenie się fal ultradźwiękowych.
-metody ultradźwiękowe znalazły zastosowanie głównie do badań przedmiotów o dużych
wymiarach, które nie mogą być prześwietlane promieniami Rentgenowskimi ze względu na
swe gabaryty. Metoda nadaje się bardzo dobrze do badań grubości cienkościennych
przedmiotów ( np. określenie grubości ścianki butli stalowej wypełnionej sprężonym gazem).

Przebieg drgań mechanicznych przez bez wad
Przebieg drgań mechanicznych przez z wadą
(pęknięciem) umiejscowiona wewnątrz przedmiotu
-rozróżniamy 3 rodzaje badań ultradźwiękowych:
-metoda echa polega na odbiciu fali padającej na wadę materiałową (pęknięcie, pęcherze
powietrza, wtrącenie metaliczne itp. Odbicie następuje od granicy utworzonej przez ośrodek
oraz wadę.
Wada materiałowa jest obszarem o pewnej oporności falowej różniącej się na ogół znacznie
od akustycznej oporności ośrodka. Odbicie fal w badanym ośrodku daje informację
o występowaniu nieciągłości (wady). Dużą zaletą tej metody jest możliwość zlokalizowania
wady w materiale. W przypadku, gdy znamy czas, jaki upływa od chwili wysłania fali do
chwili powrotu fali odbitej od wady oraz prędkość rozchodzenia się fal można określić drogę
przebyta przez falę.
-metoda cienia polega na wprowadzeniu fal ultradźwiękowych z jednej strony badanego
przedmiotu i odebraniu ich z drugiej strony po ich przejściu przez przedmiot przy
równoczesnej obserwacji natężenia przechodzących ultradźwięków.
Rys. 2. Schemat metody defektoskopii ultradźwiękowej
Każda nieciągłość na drodze fali ultradźwiękowej odbija ją tworząc za sobą, jak gdyby cień,
co powoduje osłabienie fal przechodzących przez obszar z wadą.
-metoda rezonansu polega na zjawisku odbicia fal ultradźwiękowych od nieciągłości (wady)
jednak w tej metodzie obserwujemy nałożenie się fal padających i odbijających. Naprężenia
wywołane falami ultradźwiękowymi biegnącymi z różnych kierunków i spotykającymi się w
danym miejscu ośrodka, dodają się do siebie. Gdy ciąg sinusoid padających tak, że maksima
tych naprężeń wypadają jednocześnie, mamy do czynienia z rezonansem amplitudy i możliwe
jest zaobserwowanie największej amplitudy naprężenia w badanym materiale. Wielokrotne
odbicia fal między równoległymi płaszczyznami dają możliwość otrzymania wielokrotnego
zwiększenia amplitudy w stosunku do amplitudy fal padających. Rozróżniamy dwie odmiany
tej metody rezonansu fali ciągłej oraz rezonansu impulsu.
-radiograficzne (PN-EN 444:1998):
-metoda ta polega na prześwietleniu badanego przedmiotu promieniami Roentgena (X) lub
promieniami Y i obserwacji skutków tego prześwietlenia na specjalnej błonie fotograficznej
lub ekranie. Uzyskany obraz wykazuje wady materiałowe przedmiotu jedynie w przypadku
różnicy natężenia promieniowania po przejściu przez przedmiot w miejscu wadliwym
i w miejscu bez wad.

Rys. 2. Zasada rentgenowskich badań absorpcyjnych
Wiązka równoległych promieni przenika przez badany przedmiot, na którym zostaje
częściowo rozproszona, zaabsorbowana i całkowicie przepuszczona. Po przejściu wiązki przez
warstwę o grubości D zmienia się jej natężenie zgodnie z zależnością:
J=J o *e -μ*D
Jo-natężenie promieni Roentgena
e- podstawa log. naturalnych
p- współczynnik osłabienia (zależy od gęstości mat.)
Rys. 4. Schemat przejścia rentgenowskich przez płytę metalową o grubości D i pęcherz
gazowy o grubości d: Io- natężenie promieniowania rentgenowskiego padającego ze źródła,
IA- natężenie promieniowania po przejściu przez płytę w miejscu pęcherza gazowego, Iow
miejscu metalu bez wad.
Po wykonaniu odpowiednich badań radiograficznych, na ich podstawie wykonuje się
dokumentację, w której umieszczamy oznaczenia oraz wielkość i nasilanie wykrytych wad.
Rys. 4. Wymiary przykładowych wad ustalane w klasyfikacji wadliwości złącza wg PN.
Parametr względnej wielkości wady określa się wzorem:
W=h/g*100(%) gdzie: h, g –wymiary jak rys. 5.

Najszersze zastosowanie badania radiograficzne znalazły w wykrywaniu przerw lub wtrąceń
obcych w materiale a szczególnie przy badaniu odlewów oraz spoin.
Wzorce kontrolne
Celem sprawdzenia wykrywalności wad stosuje się w radiografii wzorce kontrolne złożone
z pręcików różnej grubości od 0,1 do 4mm. Wzorce są wykonane z aluminium, żelaza, miedzi
i stosuje się je w zależności od badanego materiału. Wzorce układa się na przedmiocie
prześwietlanym. Wykrywalność tej metody sprawdza się obecnością śladów pręcików na
radiogramie, które powinny być widoczne dla pręcików równych 1,5 do 2% grubości
badanego przedmiotu.
-magnetyczne (PN-EN ISO 17638:2010):
-metoda ta polega na namagnesowaniu w części bądź w całości badanego przedmiotu a
następnie wykrywaniu lub mierzeniu pola magnetycznego rozproszenia wykorzystując lokalne
zmiany przenikalności w miejscach wad.
Rys. 5. Rozproszenie strumienia magnetycznego w sąsiedztwie pęknięcia powierzchniowego
Obserwacja przebiegu linii sił pola magnetycznego w namagnesowanym przedmiocie, którego
materiał zawiera niejednorodności lub nieciągłości magnetyczne w wyniku istnienia pęknięć
lub wtrąceń materiałów słabo lub w ogóle niemagnetycznych wykazuje, że:
1) największa część linii omija trudne do przezwyciężenia wady i dociera inna drogą
2) reszta linii sił, zazwyczaj niewielka, zostaje już w pewnej odległości od wady,
odchylona od początkowego kierunku, zjawisko to określa się jako magnetyczny
strumień rozproszenia
3) strumień także ma na danym pęknięciu znacznie większą szerokość niż samo
pęknięcie, co ma decydujące znaczenie dla wytrzymałości.
Rys. 7. Zależność wyrazistości wady badanej metodą magnetyczną od ukierunkowania wady
względem pola magnetycznego.
-prądów wirowych (PN-EN ISO 12718:2008):
-metoda ta polega na wykrywaniu różnic fizycznych własności materiałów badanych za
pomocą zmiennego pola magnetycznego. W praktyce badany element o określonych
wymiarach, wykonany z materiału o danej przewodności właściwej (elektrycznej) i
przenikalności magnetycznej wprowadza się zmienne pole magnetyczne cewki zasilanej
prądem zmiennym. Pod wpływem tego pola w elemencie indukują się prądy wirowe, które
wytwarzają własne pole, skierowane zgodnie z reguła Lenza, przeciwnie do pola cewki. W
rezultacie powstaje pole wypadkowe.
W zależności od rodzaju cewek rozróżniamy dwie metody:

-Metoda cewki stykowej
Rys. 8. Schematyczne przedstawienie metody cewki stykowej Ho-pole pierwotne wytwarzanie przez
cewkę Hs- pole wtórne wytwarzane przez prądy wirowe
- Metoda cewki przelotowej
Rys. 9. schematyczne przedstawienie cewki przelotowej Ho- pole pierwotne wytwarzane przez cewkę
Hs- pole wtórne wytwarzane przez prądy wirowe
W badanym elemencie umieszczonym w cewce, indukują się prądy wirowe, których rozkład
zostaje zakłócony w przypadku pojawienia się wady o charakterze nieciągłości materiału.
Obecność takiej wady zmniejsza czynny przekrój dla przepływu prądów wirowych, dając
w przybliżeniu efekt taki jak, zmniejszenie się przewodności właściwej w całym przekroju
elementu. Charakterystyczne dla rozkładu prądów wirowych jest to, że ich natężenia,
największe na powierzchni elementu, zmniejsza się w miarę posuwania się w głąb i spada do
zera w jego środku.
Zastosowanie badań magnetycznych
Metody magnetyczne służą do wykrywania pęknięć lub skupienia wytrąceń na powierzchni,
względnie płytko pod powierzchnią przedmiotu badanego (np. pręty, rury). Do badań
magnetycznych nadają się tylko części wykonane z materiałów ferromagnetycznych.
-penetracyjne (PN-EN ISO 23277:2010):
Wykrywanie wad metodami penetracyjnymi polega na wnikaniu cieczy w otwarte wady
powierzchniowe na zasadzie naczyń włoskowatych. Stąd metodę tę nazywa się wnikaniem lub
nasiąkaniem. Ciecze stosowane w tej metodzie składają się z cieczy penetracyjnej, której
zadaniem jest wnikanie w szczeliny powierzchniowe oraz tzw. szczeliny wywoływane, który
ma wyciągnąć penetrator ze szczelin.
Metody penetracji powierzchniowej można podzielić na dwie grupy:
- metody kontrastowe (barwne)
W metodzie barwnej penetrant ma zwykle barwę czerwoną, wywoływacz
białą, co daje na ogół najlepszy kontrast.
- metody fluorescencyjne
W metodzie fluorescencyjnej ciecz penetrująca zawiera zawiesinę substancji
fluoryzującej, która oświetlona światłem ultrafioletowym – świeci. Zasadą
postępowania przy tej metodzie pokazano poniżej.

Rys. 10. Zasady metody penetracyjnej
Zastosowanie badań penetracyjnych
Metoda ta służy przede wszystkim do wykrywania pęknięć i wad powierzchniowych, jest to
metoda o dużej dokładności, możemy dzięki niej wykryć pęknięcia o wielkości rzędu 0,005
mm. Metodę tą możemy również stosować do wykrywania wad powłok (np.: galwanicznych,
lakierniczych nanoszonych na powierzchnię).
3. Zadania do wykonania:
Badania makroskopowe:
-wykonać szlify makroskopowe na papierach ściernych
-zbadać rozmieszczenie zanieczyszczeń fosforem
-dokonać obserwacji eksponatów próbek wytrawionych odczynnikiem Oberhoffera
-zapoznać się z oceną jakości spoiny
-określić na wskazanych próbkach rodzaj złomu, wskazać ognisko, strefę pęknięcia doraźnego
-na podstawie wyglądu złomu zmęczeniowego odtworzyć charakter obciążeń oraz ustalić
położenie ogniska pęknięcia
-dla wskazanych elementów maszyn określić rodzaj zużycia oraz przyczynę zniszczenia
-podać technologię wykonania na podstawie obserwacji szlifu materiału np. trzpienia z łbem.
-wyciągnięcie wniosków na podstawie dokonanych badań.
Badania mikroskopowe:
-wykonanie zadań wskazanych przez prowadzącego
-przygotowanie próbek do badań mikroskopowych
-obserwacja szlifów przed i po wytrawieniu
-wykonanie rysunków mikrostruktur przed i po trawieniu
-obserwacja wybranych struktur na mikroskopie
-wyciągnięcie wniosków na podstawie dokonanych badań.
Badania defektoskopowe:
Badania radiologiczne:
-opierając się na wskazówkach prowadzącego dokonać obserwacji na ekranie
podświetlonym przykładowych błon rentgenograficznych
- wykonać szlic obrazów
-zaznaczyć i scharakteryzować występujące na nich wady
- wyciągnięcie wniosków na podstawie dokonanych badań.

Przedmioty obserwacji:
Rys. Łopatka wentylatora
Rys. Spoina
Badania ultradźwiękowe:
-wykonać szkice próbki prostopadłościennej z zaznaczonymi wadami oraz szkice
obrazów na oscyloskopie w poszczególnych obszarach badań
-z obrazu oscyloskopowego wyznaczyć położenie wad
- wyniki porównać z rzeczywistym umiejscowieniem wad w przedmiocie
Przedmiot badany
Przebieg oscyloskopowy dla materiału bez wad
Przebieg oscyloskopowy dla materiału z wadą
4. Wyposażenie stanowiska:
Badania makroskopowe:
-szlifierka
-komplet papierów ściernych
-zestaw odczynników do trawienia makro
-próbki materiału odlanego, elementy po przeróbce plastycznej, elementy ze stali zgrzewanej,
próbki spoin, koła zębate hartowane powierzchniowo i nawęglane, fragmenty elementów
które uległy zniszczeniu powierzchniowemu.

Badania mikroskopowe:
-mały mikroskop metalograficzny szkolny produkcji PZO z załączonymi dwoma obiektywami
powiększającym 10 i 40 razy oraz trzema okularami powiększającym 10 i 15 razy
-komplet papierów ściernych do wykonywania szlifów
- szlifierka mechaniczna
-polerka mechaniczna
-szereg odczynników do trawienia
Badania defektoskopowe:
-błony rentgenograficzne
-ekran do podświetlania błon rentgenograficznych
-urządzenie ultradźwiękowe z echosondą nadawczo-odbiorczą
5. Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Cel ćwiczenia.
2. Wstęp teoretyczny
3. Rysunki struktur wraz z opisem wg schematu:
- Materiał
- Struktura
- Trawienie
- Powiększenie
5. Opisy działania urządzeń i sposoby odczytu wyników
4. Wnioski i uwagi
Literatura
1. Wykład „Nauka o Materiałach”.
2. K. Przybyłowicz „Metaloznawstwo”, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 1992
3. L. Dobrzański „Metaloznawstwo i obróbka cieplna”, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne,
Warszawa 1997
UWAGA:
Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia student zobowiązany jest
zapoznać się z przepisami BHP