Krystian Wigórski, II IwL

Rok Akademicki 2009/2010

Temat: Wprowadzenie do badań materiałowych. Badania makroskopowe elementów metalicznych.

Proces technologiczny to główna część procesu produkcyjnego, w której następuje obróbka części oraz montażu części w zespoły i wyrób.

Rozróżnia się :

- procesy technologiczne obróbki,

- procesy technologiczne montażu,

- procesy obróbkowo - montażowe.

Procesy technologiczne mogą w różny sposób oddziaływać na obrabiany materiał stąd też wykonuje się różnego typu badania materiału w celu określenia właściwości materiału, zbadaniu struktury materiału itd.

Badania materiałowe to dziedzina badań naukowo-technicznych, która zajmuje się analizą wpływu struktury chemicznej i fizycznej materiałów na ich właściwości elektryczne, mechaniczne, optyczne, powierzchniowe, chemiczne, magnetyczne i termiczne a także rozmaite kombinacje tych właściwości. Badania te obejmują szereg technik, przy pomocy których można określić zarówno strukturę jak i właściwości materiałów, a przede wszystkim zależności pomiędzy strukturą a właściwościami.

Pojęcie „właściwości materiału” jest dosyć szerokie i obejmuje ono zarówno:
- właściwości chemiczne w warunkach obciążeń statycznych i dynamicznych,

- parametry materiału związane z jego odpornością na pękanie,

- twardość,

- przewodnictwo elektryczne i cieplne,

- właściwości magnetyczne,

jak i szereg innych wielkości fizycznych oraz parametrów jakościowych określających przydatność do zastosowania w określonych warunkach.

Twardość to zdolność materiału do przeciwstawiania się odkształceniom plastycznym przy wzajemnym nacisku dwóch ciał stykających się bardzo małymi częściami jej powierzchni. Nie jest to stała fizyczna, lecz złożona właściwość, zależy ona zarówno od wytrzymałości jak i plastyczności danej próbki materiału, jak i od metody pomiaru. Owe metody pomiaru twardości można sklasyfikować w kilku grupach tj.:

- metody porównawcze (np. Mohsa),

- metody styczne (np. Vickersa, Rockwella),

- metody dynamiczne (np. Baumanna),

- metody odskokowe (np. Shore'a)

- inne metody specjalne.

Mikrostrukturą określa się subtelną, nadcząsteczkową strukturę materii, występującą

w wielu ciałach stałych, mieszaninach i ciekłych kryształach, dającą się zaobserwować metodami mikroskopii świetlnej. Zalicza się do nich:

- rodzaj ziaren w materiale,

- kształt ziaren,

- wielkość ziaren,

- rozmieszczenie ziaren

Badania makroskopowe polegają na obserwacji odpowiednio przygotowanych

powierzchni, nazywanych również zgładami oraz przełomów elementów maszyn,

nazywanych zamiennie złomami, okiem nie uzbrojonym lub przy powiększeniu do 30 razy.

Celem badań makroskopowych jest:

1. Określenie stopnia naruszenia spójności metali, spowodowanego obecnością wtrąceń niemetalicznych, pęcherzy gazowych, rzadzizn materiałowych zwalcowań, pęknięć itp., które można ujawnić na zgładzie, na przełomie oraz niekiedy na powierzchniach zewnętrznych badanego elementu.

2. Ujawnienie struktury pierwotnej, tzn. struktury powstałej podczas krzepnięć widocznej na zgładach trawionych albo na przełomach.

3. Ujawnienie włóknistości metali i stopów powstałej w rezultacie przeróbki plastycznej. Włóknistość widzimy najczęściej na zgładach trawionych, po zadziałaniu odczynnikiem trawiącym, a rzadziej bezpośrednio na przełomie.

4. Ujawnienie na zgładach trawionych miejsc odkształconych, w przypadku gdy nastąpiło przekroczenie granicy plastyczności.

5. Określenie niejednorodności struktury lub składu chemicznego spowodowanej

obróbką cieplną (np. hartowanie powierzchniowe) obróbką cieplno-chemiczną (np.

nawęglanie) oraz powiązania powłok ochronnych z podłożem. Powyższe można

zauważyć na zgładach trawionych, jak również na przełomach.

6. Określenie jakości spoin i zgrzein. Wady spoin i zgrzein wyszukiwać należy na

zgładach poprzecznych i podłużnych spoin oraz oglądając lico spoin.

7. Określenie wielkości ziaren ujawnionych na zgładach trawionych jak również na

przełomach.

Wykrywanie wad materiałów - badanie to pozwala na określenie i selekcję materiałów przeznaczonych do dalszej przeróbki np. analiza struktura wlewka. Można tu zaobserwować wielkość jamy skurczowej, ilość wtrąceń niemetalicznych, położenie i wielkość pęcherzy gazowych. Dzięki temu możliwe jest podjęcie decyzji o dalszym wykorzystaniu elementu.

Informacje o budowie wewnętrznej elementu - obserwacja odpowiednio przygotowanych przekrojów pozwala na ustalenie w jaki sposób wygląda struktura wewnętrzna danego elementu. Uzyskuje się to dzięki „wywołaniu” struktury pierwotnej odlewu która pokazuje jak przebiegają nieciągłości wewnętrzne (rzadzizny, pęcherze pęknięcia), jaka jest grubość warstw nawęglanych i hartowanych powierzchniowo oraz pozwala na obserwację wielkości ziarna w materiale i jego rozkład.

Określenie budowy i sposobu wykonania elementu - stosowanie różnego rodzaju odczynników pozwala na określenie w jaki sposób dany element został wykonany oraz czy było to prawidłowe, z punktu widzenia obróbki plastycznej i wytrzymałości materiałów.

Ustalenie przyczyny awarii

Obserwacja powierzchni elementu lub przełomu powstałego podczas awarii, pozwala na

ustalenie:

• rodzaju obciążenia jaki spowodował zniszczenie;

• przebiegu procesu niszczenia (punkt początkowy, kierunek);

• pierwotnej przyczyny awarii.

Rodzaje przełomów:

Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje przełomów: rozdzielczy i poślizgowy, przy

czym oba pojęcia są stanem chwili badanego elementu, uzależnionym od wielu

czynników eksploatacyjnych i zewnętrznych.

Przełom rozdzielczy - następuje bez śladów wcześniejszego odkształcenia

plastycznego, nazywa się go w literaturze jak przełom rozdzielczy kruchy. Najczęściej

występuje on w żeliwie lub w stali zahartowanej. Przełom tego typu może być również

poprzedzony niewielkim odkształceniem plastycznym i wtedy nazywamy go przełomem

rozdzielczym wiązki - występuje on najczęściej w stali hartowanej i odpuszczonej w niskiej

temperaturze.

Przełom poślizgowy - poprzedzony jest wyraźnym odkształceniem plastycznym

i występuje w stali wyżarzonej oraz w większości metali nieżelaznych i ich stopów.

Pomimo że niektóre materiały są podatne na jeden rodzaj przełomów, a na drugi nie to

jednak rodzaj przełomu jest zależny przede wszystkim od tego która składowa obciążenia jest

dominująca. Składowa normalna naprężenia powoduje zniszczenie materiału przez przełom

kruchy, natomiast dominująca składowa styczna powoduje zniszczenie drogą przełomu

poślizgowego. Obciążenia udarowe, zwłaszcza przy dostatecznie dużej energii uderzenia powoduj najczęściej przełomy rozdzielcze, bez względu na rodzaj materiału.

Przełom zmęczeniowy - jest to charakterystyczny rodzaj przełomu, elementu który

uległ zniszczeniu pod wpływem działania obciążeń zmęczeniowych (cyklicznie zmiennych).

Na powierzchni tego elementu możemy wyróżnić dwa obszary: gładki i ziarnisty.

Obszar gładki charakteryzuje się tym, że widoczne są w tym miejscu przełomu

charakterystyczne koncentryczne linie, mające swoje centrum w miejscu początku przełomu

zwanym też ogniskiem. Muszlowa część przełomu tworzy się w czasie rozwoju pęknięcia.

Wygładzenie tej powierzchni jest wynikiem tarcia powierzchni pęknięcia wywołanego

odkształceniami elementu podczas kolejnych cykli zmian obciążenia. Ziarnista część

przełomu odpowiada końcowemu pęknięciu elementu.

Proces ten rozpoczyna się mikropęknięciem w miejscu zwanym ogniskiem,

tj. w miejscu lokalnej koncentracji naprężeń, wywołanej działaniem mikrokarbu.

Rys.1 Zmęczenie materiału

Ciężar właściwy dla ciała jednorodnego - stosunek ciężaru ciała P do jego objętości V. Zależy od temperatury i ciśnienia. I tak dla poniższych przykładów wynosi on:

- nikiel 8,88 g/cm³

- miedź 8,9 g/cm³

- żelazo 7,85 g/cm³

- baryt 4,5 g/cm³

---