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
Rys. 9. Przykład wtrącenia niemetalicznego zaŝuŝlenie w złączu spawanym. s 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% HNO 3 albo 15% H 2SO 4) oraz przemywa wodą i osusza. Następnie poddaje się przez 25 30 minut działaniu roztworu azotanu rtęci (10g HgNO 3, 10 ml HNO 3, 1000ml H 2O), 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