badania makroskopowe - Akademia Morska w Szczecinie

am.szczecin.pl

badania makroskopowe - Akademia Morska w Szczecinie

Akademia Morska w SzczecinieInstytut InŜynierii TransportuZakład Techniki TransportuInstrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotówMateriałoznawstwoiNauka o materiałachBadania makroskopowe elementów metalowychOpracowali:dr inŜ. Jarosław Chmielmgr inŜ. Joanna TulejaSzczecin - wrzesień 2008


WprowadzenieBadania makroskopowe polegają na obserwacji powierzchni próbkiokiem nieuzbrojonym lub przy powiększeniach nie większych od 20x. Materiałemobserwacyjnym do badań są powierzchnie odpowiednio przygotowanychpróbek. Próbki te mają postać:− przekrojów elementów (metodyka przygotowania: patrz instrukcja do ćwiczenia„Wprowadzenie do badań materiałowych”);− przełomów - tym przypadku mówimy o badaniach fraktograficznych;− wycinków powierzchni elementów.Ze względu na znaczenie informacji uzyskiwanych podczas badań makroskopowych,wyodrębnić moŜna dwa rodzaje cykli badawczych:Badania, których celem jest uzyskanie informacji o budowie wewnętrznejelementów metalowych. Obserwując przekroje lub celowo wykonaneprzełomy metali uzyskuje się informacje o:− strukturze pierwotnej odlewów (rys. 1 i 2),− budowie włóknistej po przeróbce plastycznej (rys.3 i 4 ),− niejednorodnościach natury mechanicznej (np. lokalny zgniot) lub cieplnej(np. strefy wpływu ciepła złącza spawanego) (rys.5 i 6);− nieciągłościach wewnętrznych (rzadziznach, pęcherzach, pęknięciach) (rys.2, 7, 8);− wtrąceniach niemetalicznych (rys. 9 ),− grubości warstw nawęglanych i hartowanych powierzchniowo,− wielkości ziarna w materiale (rys.2),− niejednorodności składu chemicznego (patrz próba Baumanna – rys. 10),− właściwościach plastycznych i charakterze przełomu (plastyczny, kruchy,mieszany) powstającego w róŜnych warunkach (rys. 11, 12, 13).Informacje te przydatne są m.in. do szybkiej oceny jakości wykonania wielurodzajów zabiegów technologicznych. Obserwacje wizualne mogą byćwspomagane przez zastosowanie odczynników trawiących powierzchniępróbki i ułatwiających dostrzeŜenie wybranych szczegółów budowy materiału.3


−−−Badania, których celem jest ustalenie przyczyn awarii. Obserwując powierzchnięelementu lub powierzchnię przełomu powstałego podczas awariiustala się:jaki rodzaj obciąŜeń spowodował zniszczenie,jaki był przebieg procesu niszczenia (punkt początkowy, kierunki rozwijaniasię, przybliŜona prędkość niszczenia, przypuszczalna temperatura materiałuw momencie awarii itp.)jaka mogła być pierwotna przyczyna awarii.W wielu przypadkach obserwacje makroskopowe dostarczają wystarczającychinformacji do uzyskania odpowiedzi na powyŜsze pytania, wielokrotnie jednakzachodzi konieczność wykonania dodatkowych badań innymi metodami.Cel ćwiczenia• Zapoznanie się z głównymi cechami budowy wewnętrznej elementów metalowychna podstawie obserwacji makroskopowych przekrojów i przełomóworaz prób laboratoryjnych.• Zapoznanie się z wybranymi technicznymi przypadkami zniszczeń elementówmetalowych i próba analizy przyczyn ich powstania.Wymagania1. Metodyka przygotowania próbek do badań makroskopowych2. Główne rodzaje cykli badań makroskopowych.3. Informacje uzyskiwane podczas badań makroskopowych.4. Główne rodzaje przełomów występujących w metalach, ich budowa i warunkipowstawania.5. Zjawisko zmęczenia materiału i budowa przełomu zmęczeniowego.6. Zasada, cel i wykonanie próby BaumannaLiteratura pomocnicza1. Prowans St.: „Materiałoznawstwo” PWN 1980, rozdz. 3.3 (str.126 – 128) i4.2.1 (str. 155 – 158);2. Drewnowski A.: „Formy złomów i zniszczeń konstrukcji metalowych”3. Domke W: „Vademecum Materiałoznawstwa”4


Wykonanie ćwiczeniaUwaga 1: wskazane jest zaopatrzenie się w ołówki do rysowania i gumkę kreślarską.Uwaga 2: Szkice wykonywać w wielkości naturalnej lub w skali zaleconej przezprowadzącego. Rysunki rozmieścić w kolumnie po lewej stronie arkusza, prawąpozostawiając na opis i komentarze.1. Pod kierunkiem prowadzącego sporządzić szkice wskazanych próbek, typowychdla obserwacji szczegółów budowy wewnętrznej takich jak:− struktura pierwotna odlewów− budowa włóknista wyrobów po przeróbce plastycznej− wady wewnętrzne (pęcherze, pęknięcia, wtrącenia niemetaliczne)− warstwy powierzchniowe (nawęglane, hartowane powierzchniowo)− strefy wpływu ciepła w złączach spawanych.2. Pod kierunkiem prowadzącego sporządzić szkice wskazanych próbek, ilustrującychtypowe przypadki zniszczeń części maszyn.3. Na wskazanych przez prowadzącego próbkach wykonać praktycznie próbęBaumanna. Dokonać interpretacji wyników, sporządzoną odbitkę załączyćdo sprawozdania.5


1. Obserwacje makroskopowe przekrojów elementów metalowychRys. 1. Struktura piewrotna odlewu – widoczna strefa promieniowo ułośonychkryształów słupkowych oraz rzadziny w części osiowejRys. 2. Struktura piewrotna odlewu ciśnieniowego ze stopu Al – widocznezróŜnicowanie wielkości ziarna w zaleŜności od modułu krzepnięcia odlewu.6


Rys. 3. Budowa włóknista w odkuwce koła zębatego. Układ pasm zanieczyszczeńodwzorowuje kierunki płynięcia materiału podczas kucia.Rys.4. Budowa włóknista w śrubach maszynowych wykonywanych metodamiobróbki skrawaniem (górna) i obróbki plastycznej (dolna). Widoczny niekorzystnyukład włókien w łbie górnej śruby.7


Rys. 5. Spoina pachwinowa – widoczny układ ściegów i strefa wpływu ciepłaRys.6. Złącze krzyŜowe – widoczne 4 strefy wpływu ciepła przy spoinach pachwinowychoraz ślady korozji nastyku blach8


Rys. 7. Skupisko pęcherzy i wtrąceń niemetalicznych w odlewieRys. 8. Pęknięcie osiowe w pręcie kutym swobodnie.9


Rys. 9. Przykład wtrącenia niemetalicznego – zaŜuŜlenie w złączu spawanym.sRys. 10. Niejednorodność składu chemicznego – zróŜnicowanie stęŜenia siarkiokreślone metodą Baumanna. Widoczne zaciemnienie w miejscach obecnościsiarczków.Ocena rozmieszczenia wtrąceń siarczkowych metodą BaumannaDo najczęściej stosowanych metod badania makroskopowego naleŜy próbaBaumana na rozkład siarczków. Próbę Baumana stosuje się w celu określeniarozmieszczenia w stali zanieczyszczeń siarczkowych, a jednocześnie układuwłókien części stalowej, wykonanej drogą obróbki plastycznej.10


Do próby przygotowujemy podłuŜny przekrój śruby, nitu lub innej częściukształtowanej przez kucie lub walcowanie. Uzyskany przekrój dokładnie szlifujemyi polerujemy na coraz drobniejszych papierach ściernych. Przygotowanąpowierzchnię próbki zmywamy wodą i odtłuszczamy alkoholem. Następnieprzygotowujemy płytkę szklaną i kładziemy na niej kartkę papieru fotograficznegoemulsją do góry. Papier fotograficzny naleŜy uprzednio moczyć od 3 do 4minut w 3% roztworze wodnym kwasu siarkowego. Na tak przygotowany papierkładziemy próbkę wypolerowaną powierzchnią do emulsji, zwracając uwagęby szczelnie do niego przylegała. Po upływie 3 do 5 minut zdejmujemypróbkę, a papier płuczemy w czystej wodzie. Następnie odbitkę naleŜy utrwalićprzez około 10 minut w zwykłym utrwalaczu fotograficznym, przemyć w wodziei wysuszyć. Powstający w wyniku reakcji chemicznych siarczek srebra ma zabarwienieciemnobrunatne i wykazuje na odbitce miejsca ułoŜenia wtrąceńsiarczkowych (przewaŜnie między włóknami struktury).Próba Baumana umoŜliwia takŜe wykrycie pozostałości jam usadowychpęcherzy oraz fosforu w stali. Fosfor reaguje z emulsją papieru bromowo –srebrnego, powodując powstawanie jasnoŜółtych punktów odpowiadającychskupieniom fosforków.Próba rtęciowaPróba rtęciowa jest badaniem ujawniającym napręŜenia własne powstałew wyniku obróbki plastycznej na zimno przede wszystkim w mosięŜnychprętach, rurach.Odpowiednio przygotowaną próbkę odtłuszcza się i odtlenia (wytrawianiew roztworze wodnym 40% HNO 3 albo 15% H 2SO 4) oraz przemywa wodąi osusza. Następnie poddaje się przez 25 – 30 minut działaniu roztworu azotanurtęci (10g HgNO 3, 10 ml HNO 3, 1000ml H 2O), przemywa wodą i usuwa wytrąconąna powierzchni rtęć. Brak widocznych makroskopowo pęknięć na powierzchnipróbki dowodzi, Ŝe materiał wolny jest od napręŜeń własnych. Wystąpieniepęknięć (korozja napręŜeniowa) na powierzchni próbki dowodzi obecnościnapręŜeń własnych.11


Badania makroskopowe przełomówRys. 11. Przełom kruchy z widocznymi pęknięciami wtórnymiRys. 12. Przełom kruchy przebiegający przez pasmowe skupiska zanieczyszczeńsiarczkowych w stali12


Rys. 13. Przełom plastyczny typu lamellarnego – skutek pasmowego ułoŜeniazanieczyszczeń w staliRys. 14. Przełom zmęczeniowy – w górnej części widoczna strefa muszlowa13


Rys. 15. Przełom zmęczeniowy ramienia korbowodu – widoczna strefa muszlowazajmująca ok. 80% powierzchni przełomu.Rys. 16. Zmęczeniowe łuszczenie powierzchni elementów łoŜyska tocznego podwpływem cyklicznie działających nacisków powierzchniowych (pitting) pow.10x14

More magazines by this user
Similar magazines