BADANIA WIZUALNE I MAKROSKOPOWE
BADANIA WIZUALNE I MAKROSKOPOWE
BADANIA WIZUALNE I MAKROSKOPOWE
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>BADANIA</strong> <strong>WIZUALNE</strong> I <strong>MAKROSKOPOWE</strong><br />
Cel ćwiczenia.<br />
Zaznajomienie z metodyką badań okiem nieuzbrojonym lub przy użyciu lupy, w celu<br />
określenia wad powstałych w procesie technologicznym wytwarzania, montażu, lub<br />
eksploatacji części maszyn.<br />
Wstęp teoretyczny<br />
Badania makroskopowe przeprowadzane na wytrawionych powierzchniach próbek lub na<br />
powierzchniach przełomów mają na celu:<br />
1.Ujawnienie niejednorodności składu chemicznego;<br />
2.Określenie struktury pierwotnej (makrostruktury);<br />
3.Ujawnienie niejednorodności składu i struktury, wywołanych przez obróbkę cieplną<br />
lub cieplno-chemiczną;<br />
4.Ujawnienie niejednorodności strukturalnych pochodzenia mechanicznego, a także<br />
spowodowanych spawaniem, zgrzewaniem itp.;<br />
5.Wykrycie wad stanowiących nieciągłości materiałowe;<br />
6.Oznaczenie wtrąceń niemetalicznych;<br />
7.Wybór miejsca pobrania próbek do dalszych badań.<br />
Odczynniki makroskopowe najczęściej stosowane w badaniach stopów żelaza oraz<br />
ujawniane w badaniu efekty zestawiono w PN-64/H-04502.<br />
Ujawnianie niejednorodności składu chemicznego stopów żelaza sprowadza się często do<br />
ujawniania segregacji zanieczyszczeń fosforem i siarką, powstałej w wyniku procesu<br />
krzepnięcia i zmienionej następnie podczas obróbki plastycznej. Nasilenie segregacji fosforu,<br />
a także siarki jest wskaźnikiem niejednorodności badanego materiału.<br />
Ujawnienie segregacji fosforu, szczególnie przez trawienie odczynnikiem Oborhoffera<br />
(Ma2Fe), umożliwia określenie struktury pierwotnej. W procesie krzepnięcia fosfor, podobnie<br />
jak siarczki wypierany jest na granice ziaren pierwotnych i lokuje się w przestrzeniach<br />
międzyosiowych dendrytów lub w obszarach peryferyjnych globulitów. Rozmieszczenie<br />
fosforu, w przeciwieństwie do innych składników występujących w roztworze, nie ulega<br />
większym zmianom nawet podczas wyżarzania ujednorodniającego; stąd też ujawniając<br />
rozmieszczenie fosforu uwidacznia się równocześnie kształt i wielkość ziarn struktury<br />
pierwotnej. Rozbicie struktury pierwotnej podczas obróbki plastycznej powoduje zmianę<br />
rozłożenia zanieczyszczeń; trawienie próbek podłużnych umożliwia wówczas szacunkową<br />
ocenę stopnia przerobu plastycznego. Dla dużych wartości stopnia przerobu<br />
charakterystyczne jest występowanie w makrostrukturze licznych drobnych pasemek, na<br />
przemian zawierających mało i dużo fosforu. Przy małych stopniach przerobu np. w dużych<br />
odkuwkach w makrostrukturze zachowane są pozostałości struktury pierwotnej; pasmowość<br />
jest słabo zaznaczona i widoczne są odkształcone dendryty.<br />
Ujawnianie rozmieszczenia siarki ma na celu nie tylko sprawdzenie makroskopowej<br />
jednorodności materiału. W przypadku dużych odkuwek, swobodnie kutych, odbitka z próby<br />
Baumana (Ma3Fe) może służyć do sprawdzenia współosiowości wlewka i odkuwki. Ma to<br />
szczególne znaczenie w odniesieniu do takich elementów, jak np. wały wirników turbin, które<br />
wskutek rozszerzalności cieplnej mogą przy braku współosiowości wykazywać podczas pracy<br />
niekorzystne, niesymetryczne odkształcenia. Przy ujawnianiu rozmieszczenia siarki warto
także zwrócić uwagę na możliwość zwiększenia zawartości wtrąceń siarczkowych w<br />
warstwie powierzchniowej przedmiotu.<br />
Wynika to zazwyczaj z długiego nagrzewania wsadu w piecach opalanych gazem lub<br />
olejem o znacznej zawartości siarki i może być przyczyną powstawania pęknięć podczas<br />
obróbki plastycznej na gorąco.<br />
Poza segregacją fosforu i siarki bada się także rozmieszczenie węgla (odczynniki Anczyca<br />
lub Heyna(Ma1Fe)) oraz składników stopowych, które mogą wykazywać nadmierną<br />
segregację w stopach lanych. W odniesieniu do stali obróbka plastyczna oraz długotrwałe<br />
wygrzewanie wlewków zapewniają na ogół równomierne rozmieszczenie składników.<br />
Wyjątek stanowią stale ledeburytyczne, w których częstym zjawiskiem jest segregacja<br />
węglików, uszeregowanych w pasma równolegle do kierunku obróbki.<br />
W stalach obrobionych cieplnie trawienie próbek 5-procentowym nitalem(Ma 14Fe)<br />
umożliwia wykrycie warstwy nawęglonej lub odwęglonej, a także ujawnienie głębokości<br />
zahartowania oraz miękkich plam na powierzchni przedmiotów hartowanych (w tym<br />
przypadku dobre wyniki osiąga się przy zastosowaniu 50% roztworu wodnego kwasu<br />
solnego).<br />
Trawienie odczynnikiem Fry-makro (Ma 8Fe) umożliwia ujawnienie skłonności stali<br />
niskowęglowej do starzenia. Aby przyspieszyć proces starzenia materiał poddaje się ok. 10%<br />
odkształceniu plastycznemu, które powoduje zwiększenie współczynnika dyfuzji, zwłaszcza<br />
w miejscach o zwiększonej pod wpływem gniotu gęstości dyslokacji. Podczas sztucznego<br />
starzenia (200—250°C w czasie 1—5 h) następuje dyfuzja atomów międzywęzłowych do<br />
miejsc zdefektowanych i wydzielanie składników trzeciorzędowych, co przebiega szczególnie<br />
intensywnie w obszarach o dużym zagęszczeniu pasm poślizgu. Obecność wydzieleń obniża<br />
potencjał elektrochemiczny zawierających je obszarów, które jako anody są selektywnie<br />
atakowane podczas trawienia i przybierają ciemne zabarwienie. Stale ulegające starzeniu<br />
wykazują na wytrawionym zgładzie pasma odkształcenia („linie sił") w postaci ciemnych<br />
pasemek wnikających klinowo w głąb materiału pod kątem 45° do powierzchni. Kierunek<br />
pasm odkształcenia pokrywa się z kierunkiem działania maksymalnych naprężeń stycznych,<br />
usytuowanych podobnie do kierunku maksymalnych naprężeń normalnych.<br />
Jak wiadomo, obniżenie własności plastycznych stali w wyniku starzenia spowodowane<br />
jest głównie wydzielaniem z ferrytu azotków Fe4N. Stale nie starzejące się, nie zawierające<br />
azotu lub uspokojone za pomocą Al (co zapobiega wydzielaniu azotków Fe4N wskutek<br />
związania azotu w AlN) nie ujawniają pasm płynięcia po trawieniu odczynnikiem Frymakro(Ma<br />
8 Fe).<br />
Głębokie wytrawianie ma na celu ujawnienie wad makroskopowych stanowiących<br />
nieciągłości materiału, jak pęknięcia, rzadzizny, zawalcowania itp., a także uwidocznienie<br />
przebiegu włókien w materiałach walcowanych lub kutych. Wyniki badania zależą głównie<br />
od składu chemicznego odczynnika, temperatury i czasu wytrawiania, a w pewnej mierze<br />
także od przygotowania powierzchni próbki. Ponieważ stosowane odczynniki działają bardzo<br />
energicznie, uzyskuje się często wyolbrzymiony obraz wady; np. wtrącenia siarczkowe przy<br />
zbyt długim czasie trawienia mogą pozornie nawet ~200-krotnie zwiększyć swe wymiary. Dla<br />
zachowania porównywalności wyników konieczne jest ścisłe przestrzeganie warunków<br />
trawienia.<br />
Głębokie wytrawianie powoduje poszerzenie przerw materiałowych. Przy<br />
zawalcowaniach, pęknięciach odlewniczych, rzadziznach, pęcherzach itp., interpretacja<br />
obrazu nie jest trudna. Natomiast przy ujawnianiu drobnych nieciągłości, np. płatków, ocena
wyników próby może być niejednoznaczna. Do ujawniania płatków lepiej nadaje się<br />
odczynnik działający mniej energicznie, np. nasycony roztwór wodny chlorku miedziowoamonowego<br />
(Ma 1 Fe). Odczynnik ten nie powiększa pęknięć i wykrycie płatków możliwe<br />
jest przy zastosowaniu lupy. Ponieważ lepsze wyniki uzyskuje się dla stali o strukturze<br />
drobnoziarnistej, celowe jest niekiedy stosowanie obróbki cieplnej próbek, zapewniającej<br />
rozdrobnienie struktury.<br />
Zastosowanie odczynnika powodującego zabarwienie ziaren umożliwia ujawnienie<br />
wielkości ziarna w stalach gruboziarnistych. Różnice w zabarwieniu poszczególnych ziaren<br />
wynikają z odmiennej orientacji krystalograficznej. Najlepsze efekty uzyskuje się w stalach i<br />
staliwach ferrytycznych (np. stale transformatorowe) oraz austenitycznych (staliwo<br />
kwasoodporne). Odczynniki takie nadają się również do ujawniania makrostruktur złącz<br />
spawanych, a także do wykrywania niejednorodności struktury spowodowanych spawaniem<br />
lub zgrzewaniem(Ma 11Fe i Ma 21÷23Fe)<br />
Wielu cennych informacji dostarczają także badania makroskopowe przełomów.<br />
Charakter przełomu — transkrystaliczny, międzykrystaliczny lub mieszany, doraźny lub<br />
zmęczeniowy, ciągliwy lub kruchy, gruboziarnisty albo drobnoziarnisty — stanowi podstawę<br />
do wstępnej jakościowej oceny materiału, jego jednorodności i czystości. Przełom przebiega<br />
przez miejsca najsłabsze, a tym samym może ujawnić wady materiału, tzn. pozostałość jamy<br />
skurczowej, płatki, pęcherze, wtrącenia niemetaliczne i inne. Ocenę tę przeprowadza się<br />
zarówno na przełomach próbek wytrzymałościowych, udarnościowych czy technologicznych<br />
(np. próba przełomu niebieskiego),jak i na przełomach elementów, które uległy awaryjnemu<br />
zniszczeniu podczas pracy. Przełom ujawnia często przebieg zniszczenia, co pozwala na<br />
określenie kierunku i zakresu badań niezbędnych do ustalenia jego przyczyny.<br />
Tab.1 Schematy złomów zmęczeniowych prętów poddanych różnym obciążeniom zmiennym.
Rys.1 Cech powierzchni złomów zmęczeniowych;<br />
1- ognisko, 2- strefa przyogniskowa, 3- uskoki pierwotne, 4- uskoki wtórne, 5- linie<br />
spoczynkowe, 6- strefa przejściowa, 7- strefa resztkowa, 8- kierunek obrotów wału.
Ilustracje.<br />
Rys.2 Przekrój poprzeczny piaskowego odlewu mosiężnego ( tzw. gąski). Traw. chlorkiem<br />
żelazawym w kwasie solnym.<br />
Rys.3 przekrój wzdłużny stalowej odkuwki. Traw. Odczynnikiem Oberhoffera (Ma2Fe).<br />
Rys.4 Zażużlenie w odlewie żeliwnym. Pow. 3x
Rys.5 Makrostruktura fragmentu koła zębatego hartowanego powierzchniowo.<br />
Traw. Nitalem (Ma14Fe)Pow.4,8x<br />
Rys.6 Uszkodzenia korozyjne zgrzewanych rur ciepłowniczych (wewnętrzna powierzchnia )<br />
a) perforacja w okolicy grani , b,c) perforacje w zgrzeinie .<br />
Rys.7 Złącze kątowe ze spoiną dwustronną.<br />
Traw. odczynnikiem Adlera (Ma 11Fe)
Rys.8 Złącze obwodowe na zakładkę podgiętą. Traw. Odczynnikiem Adlera (Ma 11Fe).<br />
Rys.9 Przykładowe złomy zmęczeniowe wałów wywołane; c) wysokim, d) średnim, e) niskim<br />
obciążeniem. a,b) dwa widoki złomu.<br />
Rys.10 Złom zmęczeniowy koła zębatego.
Zadania do wykonania.<br />
1. Zapoznanie się z różnicami w budowie odlewów piaskowych i kokilowych. Dokonać<br />
oceny ich jakości i podać przyczyny ujawnionych (ewentualnie) wad materiałów.<br />
2. Przeprowadzić ocenę jakości wykonania przedmiotu poddanego przeróbce<br />
plastycznej pod względem:<br />
a. pasmowości<br />
b. segregacji siarki i fosforu<br />
c. różnic między materiałem kutym i walcowanym.<br />
3. Porównanie wyglądu złomów awaryjnych<br />
a. kruchych.<br />
b. ciągliwych.<br />
4. W badanym elemencie określić warunki i przyczyny powstania złomu<br />
zmęczeniowego.<br />
5. Podać cechy charakterystyczne elementów zużytych przez:<br />
a. ścieranie<br />
b. zatarcie<br />
c. nadmierny nacisk<br />
d. korozję (erozję)<br />
6. Przeprowadzić ocenę jakości wykonania badanych spoin i zgrzewów.<br />
7. Przeprowadzić badania makroskopowe części obrabianych cieplnie<br />
(cieplnochemicznie)<br />
Wyposażenie stanowiska:<br />
1. Stanowisko do preparatyki metalograficznej<br />
2. Zestaw odczynników do trawienia makroskopowego<br />
3. Papier fotograficzny bromosrebrowy, utrwalacz.<br />
4. Próbki.<br />
Kolejność czynności:<br />
1. Dokonać oględzin otrzymanych próbek, na których będą wykonywane badania<br />
wymagające zgładów metalograficznych.<br />
2. Przeprowadzić czynności konieczne do wykonania badań metalograficznych<br />
makroskopowych z użyciem odczynników.<br />
3. Wybrać odpowiednie odczynniki.<br />
4. Na wybranych elementach przeprowadzić próbę Baumana (zgodnie z PN-87/ H-<br />
04514) w celu określenia miejsc wzbogaconych w siarkę .<br />
Sprawozdanie:<br />
1. Cel ćwiczenia.<br />
2. Dokładny opis przeprowadzonych badań z uzasadnieniem doboru odczynników, oraz<br />
innych warunków badania.<br />
3. Rysunki i odbitki makrostruktur<br />
4. Opis rysunków.<br />
5. Wnioski.<br />
Literatura.<br />
1. Szumer A., Ciszewski A., Radomski T.: Badania własności i mikrostruktury<br />
materiałów. Oficyna Wydawnicza P.W. Warszawa 2000.<br />
2. Dobrzański L. A.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali. Wydawnictwo<br />
P.Ś Gliwice 1993.<br />
3. Przybyłowicz K.: Metody badania metali i stopów. Wydawnictwo AGH Kraków 1997.
Change language