BADANIA STRUKTURY MATERIAŁÓW. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Transkrypt

1 BADANIA STRUKTURY MATERIAŁÓW Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 1. MAKROSTRUKTURA 2. MIKROSTRUKTURA 3. STRUKTURA KRYSTALICZNA

3 Makrostruktura materiału elementy struktury widoczne nieuzbrojonym okiem lub przy użyciu przyrządów optycznych dających obraz powiększony nie więcej niż 40x. Mikrostruktura materiału elementy struktury widoczne przy użyciu mikroskopów dających powiększenie większe niż 40x. Jedną z metod badania makrostruktury materiałów metalowych jest metalografia. i mikrostruktury Badania metalograficzne polegają na oględzinach obiektów lub preparatów i wnioskowaniu na podstawie obrazu i analizy poszczególnych jego fragmentów o strukturze. Wyróżnia się badania metalograficzne makroskopowe i mikroskopowe. 3

4 1. MAKROSTRUKTURA (badania metalograficzne makroskopowe) a) Obserwacja powierzchni w celu ujawnienia: śladów oddziaływania środowiska, np. produktów korozji nieciągłości materiału, np. pęknięć, pęcherzy, wgnieceń Produkty korozji na wewnętrznej powierzchni rurociągu ze stali węglowej 4

5 20 mm Pęknięcie na zewnętrznej powierzchni rury ze stali 18Cr-10Ni-Ti 20 mm Produkty korozji i uszkodzenia mechaniczne na wewnętrznej powierzchni rury ze stali 18Cr-10Ni-Ti 5

6 b) Obserwacja przełomów w celu ujawnienia: charakterystycznych cech przełomu, określających jego rodzaj większych wtrąceń niemetalicznych wielkości i kształtu ziaren nieciągłości materiałowych grubości stref o zróżnicowanej budowie Przełom kruchy 5 mm Przełom ciągliwy 6

7 c b a Przełom mieszany Przełom zmęczeniowy łopatki turbiny: a) ognisko, b) część muszlowa przełomu, c) złom resztkowy 7

8 c) Obserwacja powierzchni zgładów metalograficznych Etapy przygotowania zgładów: Wycięcie próbki Szlifowanie powierzchni na szlifierce Szlifowanie na płótnach i papierach ściernych Polerownie (nie zawsze konieczne) Trawienie odczynnikami Obserwacja powierzchni zgładów może ujawnić: Naruszenie spójności materiału badanego elementu Niejednorodność budowy materiału Technologię wykonania elementu Wielkość ziarna 8

9 9

10 S S Powierzchnia zewnętrzna rury stalowej: S szczelina Zgład wykonany na przekroju poprzecznym ścianki rury: S szczelina, ZP zewnętrzna powierzchnia, WP wewnętrzna powierzchnia 10

11 Zgład wykonany na przekroju blachy stalowej: pęknięcia wzbudzone wodorem 6 mm 11

12 Zgład wykonany na przekroju złącza spawanego: budowa złącza 10 mm 12

13 Cel badań metalograficznych makroskopowych Badania naukowe: Wstępna charakterystyka stanu materiału Ocena mechanizmu niszczenia Wybór miejsca pobrania próbek do badań mikroskopowych Badania przemysłowe: Ocena jakości wyrobów Kontrola urządzeń przemysłowych Ocena jakości zabiegów technologicznych: spawania, obróbki cieplnej, cieplno-chemicznej, przeróbki plastycznej Określenie przyczyny awarii 13

14 2. MIKROSTRUKTURA (badania metalograficzne mikroskopowe) Badania polegają na obserwacji powierzchni zgładów metalograficznych za pomocą mikroskopów metalograficznych. Etapy przygotowania powierzchni zgładów: Wybór miejsca pobrania próbki na podstawie badań makroskopowych Wycięcie próbki Zatopienie w żywicy (inkludowanie) Szlifowanie na płótnach i papierach ściernych Polerowanie mechaniczne lub elektrolityczne Trawienie powierzchni odczynnikami 14

15 15

16 Mikroskop metalograficzny świetlny 1. Stolik przedmiotowy 2. Głowica rewolwerowa z obiektywami 3. Okular 4. Oświetlacz 5. Pokrętło przesuwu makro 6. Pokrętło przesuwu mikro 16

17 Bieg promieni świetlnych w mikroskopie 17

18 Powiększenie całkowite mikroskopu N N=N ob x N ok. N ob powiększenie obiektywu N ok. powiększenie okularu Zdolność rozdzielcza mikroskopu d m najmniejsza odległość między dwoma punktami, które widoczne są oddzielnie. d m = λ/2nsin(β/2) = λ/2a ob λ długość fali świetlnej n współczynnik załamania światła β kąt rozwarcia soczewki obiektywu A ob apertura numeryczna Dla λ = 550 nm i A ob = 1,6 d m = 200 nm Kąt rozwarcia obiektywu: 1 obiektyw 2 zgład 3 odbity promień świetlny 18

19 Badania zgładów nietrawionych Osnowa metaliczna Pęknięcia, wtrącenia niemetaliczne w stali Grafit sferoidalny w żeliwie 19

20 Schemat ujawniania mikrostruktury materiału jednofazowego po wytrawieniu: a) granic ziaren (krótki czas trawienia) a w obraz w mikroskopie b) granic ziaren i wnętrza ziaren (długi czas trawienia) b w obraz w mikroskopie 20

21 Schemat ujawniania mikrostruktury materiału wielofazowego po wytrawieniu: a) stal eutektoidalna b) stop łożyskowy 21

22 Badania zgładów trawionych 50 μm Mikrostruktura stali po wytrawieniu 4% roztworem HNO 3 w alkoholu 22

23 50 μm Mikrostruktura żeliwa po wytrawieniu 4% roztworem HNO 3 w alkoholu Mikrostruktura stali 18Cr-10Ni-Ti po wytrawieniu wodnym roztworem HCl i HNO 3 23

24 Cel badań metalograficznych mikroskopowych Badania naukowe: Identyfikacja stanu materiału i przemian fazowych zachodzących w materiale pod wpływem czynników wewnętrznych i zewnętrznych Przybliżona identyfikacja materiału Ocena mechanizmu niszczenia Badania przemysłowe: Identyfikacja materiału i jego stanu po zabiegach technologicznych: obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej, przeróbce plastycznej, spawaniu Ocena jakości materiału, np. na podstawie wielkości ziarna, wielkości wydzieleń grafitu w żeliwie, wtrąceń niemetalicznych, jednorodności mikrostruktury Ocena wpływu zmian parametrów wytwarzania wyrobu na mikrostrukturę materiału Określenie przyczyny awarii 24

25 3. STRUKTURA KRYSTALICZNA (badania) Metoda badań: metoda rentgenowska, wykorzystująca zjawisko dyfrakcji, czyli ugięcia promieni rentgenowskich na sieci krystalicznej ciała stałego. Możliwości: określenie typu struktury, defektów struktury, pomiar stałych sieciowych, wyznaczanie naprężeń własnych w materiale, wielkości ziarna, orientacji krystalograficznej monokryształów, tekstury w materiałach polikrystalicznych. Promienie rentgenowskie: pasmo promieniowania elektromagnetycznego o długości 0,5 2,5 Å. Podstawa fizyczna badań rentgenowskich: prawo Bragga. 25

26 Wiązka równoległych promieni X padająca pod kątem na kryształ ulega rozproszeniu i wygaszeniu. Wzmocnieniu ulegają tylko te promienie, które spełniają poniższe warunki: 1. Podlegają prawom odbicia, tzn. leżą w płaszczyźnie padania i tworzą z normalną do powierzchni rozpraszającej kąt równy kątowi padania. 2. Powstają wskutek rozproszenia na różnych płaszczyznach sieciowych kryształu (np. I, II). 3. Różnice ich dróg optycznych przy nakładaniu się równe są całkowitej wielokrotności fali. Warunek odbicia (prawo Bragga) ma postać: n = 2dsin, n = 1,2,3 - długość fali promieniowania rentgenowskiego Znając długość fali i mierząc kąt odbłysku po tzw. wskaźnikowaniu dyfraktogramu, można obliczyć odległość międzypłaszczyznową d, a tym samym zidentyfikować badaną fazę. Interferencja promieni X na płaszczyznach sieciowych kryształu 26