badania makroskopowe - Akademia Morska w Szczecinie

badania makroskopowe - Akademia Morska w Szczecinie

Akademia Morska w Szczecinie
Instytut InŜynierii Transportu
Zakład Techniki Transportu
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotów
Materiałoznawstwo
i
Nauka o materiałach
Badania makroskopowe elementów metalowych
Opracowali:
dr inŜ. Jarosław Chmiel
mgr inŜ. Joanna Tuleja
Szczecin - wrzesień 2008
2
Wprowadzenie
Badania makroskopowe polegają na obserwacji powierzchni próbki
okiem nieuzbrojonym lub przy powiększeniach nie większych od 20x. Materiałem obserwacyjnym do badań są powierzchnie odpowiednio przygotowanych
próbek. 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 wewnętrznej elementów metalowych. Obserwując przekroje lub celowo wykonane przełomy 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 wielu
rodzajów zabiegów technologicznych. Obserwacje wizualne mogą być
wspomagane przez zastosowanie odczynników trawiących powierzchnię
próbki i ułatwiających dostrzeŜenie wybranych szczegółów budowy materiału.
3
Badania, których celem jest ustalenie przyczyn awarii. Obserwując powierzchnię elementu lub powierzchnię przełomu powstałego podczas awarii
ustala się:
−
jaki rodzaj obciąŜeń spowodował zniszczenie,
−
jaki był przebieg procesu niszczenia (punkt początkowy, kierunki rozwijania się, przybliŜona prędkość niszczenia, przypuszczalna temperatura materiału w momencie awarii itp.)
−
jaka mogła być pierwotna przyczyna awarii.
W wielu przypadkach obserwacje makroskopowe dostarczają wystarczających
informacji do uzyskania odpowiedzi na powyŜsze pytania, wielokrotnie jednak
zachodzi konieczność wykonania dodatkowych badań innymi metodami.
Cel ćwiczenia
•
Zapoznanie się z głównymi cechami budowy wewnętrznej elementów metalowych na podstawie obserwacji makroskopowych przekrojów i przełomów
oraz prób laboratoryjnych.
•
Zapoznanie się z wybranymi technicznymi przypadkami zniszczeń elementów metalowych i próba analizy przyczyn ich powstania.
Wymagania
1. Metodyka przygotowania próbek do badań makroskopowych
2. Główne rodzaje cykli badań makroskopowych.
3. Informacje uzyskiwane podczas badań makroskopowych.
4. Główne rodzaje przełomów występujących w metalach, ich budowa i warunki powstawania.
5. Zjawisko zmęczenia materiału i budowa przełomu zmęczeniowego.
6. Zasada, cel i wykonanie próby Baumanna
Literatura pomocnicza
1. Prowans St.: „Materiałoznawstwo” PWN 1980, rozdz. 3.3 (str.126 – 128) i
4.2.1 (str. 155 – 158);
2. Drewnowski A.: „Formy złomów i zniszczeń konstrukcji metalowych”
3. Domke W: „Vademecum Materiałoznawstwa”
4
Wykonanie ćwiczenia
Uwaga 1: wskazane jest zaopatrzenie się w ołówki do rysowania i gumkę kreślarską.
Uwaga 2: Szkice wykonywać w wielkości naturalnej lub w skali zaleconej przez
prowadzącego. Rysunki rozmieścić w kolumnie po lewej stronie arkusza, prawą
pozostawiając na opis i komentarze.
1. Pod kierunkiem prowadzącego sporządzić szkice wskazanych próbek, typowych dla 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, ilustrujących typowe przypadki zniszczeń części maszyn.
3. Na wskazanych przez prowadzącego próbkach wykonać praktycznie próbę
Baumanna. Dokonać interpretacji wyników, sporządzoną odbitkę załączyć
do sprawozdania.
5
1.
Obserwacje makroskopowe przekrojów elementów metalowych
Rys. 1. Struktura piewrotna odlewu – widoczna strefa promieniowo ułośonych
kryształów słupkowych oraz rzadziny w części osiowej
Rys. 2. Struktura piewrotna odlewu ciśnieniowego ze stopu Al – widoczne
zróŜnicowanie wielkości ziarna w zaleŜności od modułu krzepnięcia odlewu.
6
Rys. 3. Budowa włóknista w odkuwce koła zębatego. Układ pasm zanieczyszczeń odwzorowuje kierunki płynięcia materiału podczas kucia.
Rys.4. Budowa włóknista w śrubach maszynowych wykonywanych metodami
obróbki skrawaniem (górna) i obróbki plastycznej (dolna). Widoczny niekorzystny układ włókien w łbie górnej śruby.
7
Rys. 5. Spoina pachwinowa – widoczny układ ściegów i strefa wpływu ciepła
Rys.6. Złącze krzyŜowe – widoczne 4 strefy wpływu ciepła przy spoinach pachwinowych oraz ślady korozji nastyku blach
8
Rys. 7. Skupisko pęcherzy i wtrąceń niemetalicznych w odlewie
Rys. 8. Pęknięcie osiowe w pręcie kutym swobodnie.
9
s
Rys. 9. Przykład wtrącenia niemetalicznego – zaŜuŜlenie w złączu spawanym.
Rys. 10. Niejednorodność składu chemicznego – zróŜnicowanie stęŜenia siarki
określone metodą Baumanna. Widoczne zaciemnienie w miejscach obecności
siarczków.
Ocena rozmieszczenia wtrąceń siarczkowych metodą Baumanna
Do najczęściej stosowanych metod badania makroskopowego naleŜy próba
Baumana na rozkład siarczków. Próbę Baumana stosuje się w celu określenia
rozmieszczenia w stali zanieczyszczeń siarczkowych, a jednocześnie układu
włókien części stalowej, wykonanej drogą obróbki plastycznej.
10
Do próby przygotowujemy podłuŜny przekrój śruby, nitu lub innej części
ukształtowanej przez kucie lub walcowanie. Uzyskany przekrój dokładnie szlifujemy i polerujemy na coraz drobniejszych papierach ściernych. Przygotowaną powierzchnię próbki zmywamy wodą i odtłuszczamy alkoholem. Następnie
przygotowujemy płytkę szklaną i kładziemy na niej kartkę papieru fotograficznego emulsją do góry. Papier fotograficzny naleŜy uprzednio moczyć od 3 do 4
minut w 3% roztworze wodnym kwasu siarkowego. Na tak przygotowany papier kładziemy próbkę wypolerowaną powierzchnią do emulsji, zwracając uwagę by szczelnie do niego przylegała. Po upływie 3 do 5 minut zdejmujemy
próbkę, a papier płuczemy w czystej wodzie. Następnie odbitkę naleŜy utrwalić
przez około 10 minut w zwykłym utrwalaczu fotograficznym, przemyć w wodzie
i wysuszyć. Powstający w wyniku reakcji chemicznych siarczek srebra ma zabarwienie ciemnobrunatne i wykazuje na odbitce miejsca ułoŜenia wtrąceń
siarczkowych (przewaŜnie między włóknami struktury).
Próba Baumana umoŜliwia takŜe wykrycie pozostałości jam usadowych
pęcherzy oraz fosforu w stali. Fosfor reaguje z emulsją papieru bromowo –
srebrnego, powodując powstawanie jasnoŜółtych punktów odpowiadających
skupieniom fosforków.
Próba rtęciowa
Próba rtęciowa jest badaniem ujawniającym napręŜenia własne powstałe w wyniku obróbki plastycznej na zimno przede wszystkim w mosięŜnych
prętach, rurach.
Odpowiednio przygotowaną próbkę odtłuszcza się i odtlenia (wytrawianie w roztworze wodnym 40% HNO3 albo 15% H2SO4) oraz przemywa wodą
i osusza. Następnie poddaje się przez 25 – 30 minut działaniu roztworu azotanu rtęci (10g HgNO3, 10 ml HNO3, 1000ml H2O), przemywa wodą i usuwa wytrąconą na powierzchni rtęć. Brak widocznych makroskopowo pęknięć na powierzchni próbki dowodzi, Ŝe materiał wolny jest od napręŜeń własnych. Wystąpienie pęknięć (korozja napręŜeniowa) na powierzchni próbki dowodzi obecności napręŜeń własnych.
11
Badania makroskopowe przełomów
Rys. 11. Przełom kruchy z widocznymi pęknięciami wtórnymi
Rys. 12. Przełom kruchy przebiegający przez pasmowe skupiska zanieczyszczeń siarczkowych w stali
12
Rys. 13. Przełom plastyczny typu lamellarnego – skutek pasmowego ułoŜenia
zanieczyszczeń w stali
Rys. 14. Przełom zmęczeniowy – w górnej części widoczna strefa muszlowa
13
Rys. 15. Przełom zmęczeniowy ramienia korbowodu – widoczna strefa muszlowa zajmująca ok. 80% powierzchni przełomu.
Rys. 16. Zmęczeniowe łuszczenie powierzchni elementów łoŜyska tocznego pod
wpływem cyklicznie działających nacisków powierzchniowych (pitting) pow.
10x
14