background image

METALOGRAFICZNA ANALIZA MAKROSKOPOWA 

 

Wiadomo ci podstawowe 

 

A. Cel i zakres metalograficznej analizy makroskopowej 

Metalograficzn   analiz   makroskopow   elementów  metalowych  przeprowadza  si   w  celu  ujawnienia  i 

przebadania ich charakterystycznych cech strukturalnych mo liwych do zaobserwowania nieuzbrojonym okiem 

lub  pod  niewielkimi  powi kszeniami,  zwykle  nie  przekraczaj cymi  30x.  Badaniom  poddaje  si   b d  

bezpo rednio  zewn trzne  powierzchnie  wyrobów  metalowych,  b d   ich  złomy,  b d   te   specjalnie 

przygotowane powierzchnie. 

Do  obserwacji  makroskopowych  znajduj   zastosowanie  wszelkiego  rodzaju  lupy  r czne  lub  z 

podstawkami,  mikroskopy  stereoskopowe  wyposa one  zwykle  w  dwa  okulary  i  komplet  wymiennych 

obiektywów  oraz  stolik  przedmiotowy  i  o wietlacz,  jak  równie   mikroskopy  metalograficzne  wyposa one  w 

urz dzenia do obserwacji makroskopowej, umo liwiaj ce najcz ciej równie  fotografowanie. 

 

Badania makroskopowe umo liwiaj : 

1. Analiz  charakterystycznych cech struktury odlewniczej: 

•  okre lenie rodzaju, rozkładu i wielko ci kryształów pierwotnych, 

•  ujawnienie  wad  materiałowych,  takich  jak:  jamy  skurczowe,  p cherze  gazowe,  za u lenia,  pory, 

p kni cia, itp. 

2. Analiz  charakterystycznych cech strukturalnych wyrobów przerobionych plastycznie (walcowanych, kutych, 

ci gnionych, itp.): 

•  ujawnienie kierunku plastycznego płyni cia metalu (przebiegu włókien), 

•  ujawnienie  wad  powstałych  podczas  przerobu  plastycznego,  tak  jak:  zawalcowania,  zakucia, 

skupiska wtr ce  niemetalicznych, p kni cia, pozostało ci struktury pierwotnej, itp. 

3.  Okre lanie  rozkładu  w gla,  fosforu  i  siarki  w  stopach  elaza  (odlewach  i  wyrobach  przerobionych 

plastycznie). 

4.  Okre lenie  niejednorodno ci  strukturalnej  i  chemicznej  w  wyrobach  obrobionych  cieplnie  i  cieplno-

chemicznie: stal jest bardziej czysta. Jednorodny i gładki obraz makrostruktur uzyskuje si  równie  po trawieniu 

stali zahartowanych, podczas gdy stale odpuszczone (zwłaszcza w zakresie temperatur 150 - 400°C) wytrawiaj  

si  znacznie gł biej. 

 

Cz ciej stosowane odczynniki do gł bokiego trawienia stopów  elaza w temperaturze 60 - 70°C: 

•  100 ml HCl (1,19) + 100 ml H

2

O, 

•  38 ml HCl (1,19) + 12 ml H

2

SO

4

 (1,83) + 50 ml H

2

O, 

•  50 ml HCl (1,19) + 25 ml H

2

SO

4

 (1,83) + 100 ml H

2

O. 

Przy stosowaniu tych odczynników zazwyczaj wystarcza zgrubna obróbka mechaniczna badanych powierzchni. 

Nale y podkre li ,  e z uwagi na truj ce działanie par wydzielaj cych si  podczas trawienia na gor co, 

trawienie to mo na przeprowadza  wył cznie w warunkach sprawnie działaj cej wentylacji (pod wyci giem). 

Po  zako czeniu  trawienia,  a  badanej  powierzchni  nale y  usun   pozostało ci  kwasów  przez  przemycie 

szczotk  w strumieniu ciepłego powietrza. 

 

Trawienie płytkie stali niestopowych 

Trawienie płytkie lub powierzchniowe ma wiele zalet w stosunku do trawienia gł bokiego, pozwala ono 

bowiem  na ujawnianie  bardziej  subtelnych elementów  struktury  i umo liwia  bardziej  jednoznaczn   ich  ocen . 

Wymagane jest natomiast du o dokładniejsze przygotowanie powierzchni do bada , np. szlifowanie na bardzo 

drobnym papierze  ciernym, a czasem nawet polerowanie (np. dla oceny wielko ci ziarn, kierunku ich wzrostu 

itp.).  Niektóre  z  odczynników  do  trawienia  powierzchniowego  znajduj   zastosowanie  równie   i  do  bada  

mikroskopowych. 

Do  płytkiego  trawienia  stopów  elaza  stosuje  si   najcz ciej  odczynniki  miedziowe,  tzn.  roztwory  soli 

miedzi. Jednym z najbardziej znanych jest odczynnik Heyna, słu cy do ujawniania segregacji fosforu i w gla 

oraz  w  pewnym  stopniu  struktury  pierwotnej.  Składa  si   on  z  10  g  chlorku  amonowo-miedziowego  i  100  ml 

wody destylowanej. Miejsca bogate w fosfor barwi  si  na brunatno, bogatsze w w giel – na ciemno lub szaro. 

Do badania spoin stosowany  jest odczynnik Adlera o składzie: 3 g chlorku miedziowo-amonowego, 25 

ml  wody  destylowanej;  po  rozpuszczeniu  dodaje  si   50  ml  kwasu  solnego  (1,19)  i  15  g  chlorku  elazowego. 

Odczynnik ten wyra nie ujawnia spoiny i warstwy napawane. 

Do  ujawniania  miejscowych  odkształce   plastycznych  stosuje  si   odczynnik  Fry  o  składzie:  120  ml 

kwasu solnego, 20 g chlorku miedziowego i 100 ml wody destylowanej. Odczynnik ten silnie atakuje  strefy, w 

background image

których została przekroczona granica plastyczno ci, ujawniaj c je w postaci tzw. „linii działania sił”. Trawienie 

odczynnikiem Fry nale y wykonywa  wył cznie w r kawiczkach gumowych. 

Do ujawniania rozmieszczenia fosforu i dendrytów słu y odczynnik Oberhoffera o składzie: 0,5 g chlorku 

cynowego, 1 g chlorku miedziowego, 30 g chlorku  elazowego i 50 ml kwasu solnego na 500 ml wody i 500 ml 

alkoholu  etylowego.  Miejsca  wolne  od  fosforu  ulegaj   wytrawieniu  i  ciemniej ,  obszary  zawieraj ce  fosfor 

pozostaj  błyszcz ce. 

W poszczególnych przypadkach dobre wyniki uzyskuje si  równie   przy pomocy trawienia roztworami 

kwasów.  Przykładem  tego  typu  odczynnika  jest  20%  roztwór  alkoholowy  HNO

3

,  stosowany  do  ujawniania 

budowy spoin oraz stref przegrzania w zł czach spawanych. 

Dokładny  wykaz  odczynników  do  bada   makroskopowych  stopów  elaza  zawiera  norma  PN-61/H-

04502.  Podaje  ona  oprócz  składu  chemicznego  odczynnika  równie   opis  jego  działania  i  dokładny  sposób 

trawienia. 

 

Trawienie metali nie elaznych 

Wytrawianie próbek metali nie elaznych do bada  makroskopowych wykonuje si  innymi odczynnikami. 

Na przykład, mied  i jej stopy wytrawia si  10% roztworem amoniaku z dodatkiem kilku kropli wody utlenionej, 

stopy aluminium – wodnym roztworem kwasu fluorowodorowego lub wodnym roztworem mieszaniny kwasów 

fluorowodorowego, solnego. Ujawniona zostaje grubo  warstwy zahartowane, naw glonej i odw glonej; 

 

5. Wykrywanie p kni  hartowniczych w przedmiotach obrobionych cieplnie; 

6. Wykrywanie p kni  szlifierskich na powierzchniach przedmiotów szlifowanych; 

7. Wykrywanie wad w przedmiotach spawanych, zgrzewanych lub lutowanych i okre lanie jako ci poł cze ; 

8. Analiz  powierzchni złomów; 

9. Analiz  uszkodze  eksploatacyjnych materiału. 

 

B. Przygotowanie próbek do bada  

Jak  ju   wspomniano,  badania  makroskopowe  mog   obejmowa   całe  przedmioty,  jak  i  odpowiednio 

wyci te z nich próbki ró nej wielko ci.  

W  wielu  przypadkach  (np.  odlewy,  wyroby  walcowane,  złomy)  powierzchnie  podlegaj ce  badaniom 

obserwuje  si   bez  specjalnego  ich  przygotowania,  jedynie  po  ewentualnym  oczyszczeniu  i  odtłuszczeniu. 

Najcz ciej jednak po odci ciu próbki pił  lub palnikiem, obrabia si  jej powierzchni  wst pnie na strugarce lub 

frezarce,  a  nast pnie  szlifuje  na  szlifierce  lub  papierach  ciernych  o  coraz  drobniejszym  ziarnie.  Tak 

przygotowan  próbk  wytrawia si  odpowiednim odczynnikiem. 

W  makroskopowych  badaniach  wyrobów  stalowych  stosowane  s   dwie  metody  trawienia:  trawienie 

gł bokie i trawienie płytkie. 

 

Trawienie gł bokie stali niestopowych 

Trawienie  gł bokie  znajduje  zastosowanie  przy  makroskopowych  badaniach  wyrobów  stalowych  do 

ujawniania  takich  wad  materiałowych  jak:  p kni cia,  p cherze  gazowe,  rzadzizny,  za u lenia,  zakucia, 

zawalcowania,  skupiska  wtr ce   niemetalicznych,  a  tak e  do  ujawniania  segregacji  składników  chemicznych, 

struktury pierwotnej, włóknisto ci w wyrobach przerobionych plastycznie itp. 

Odczynnikami  do  gł bokiego  trawienia  s   silne  roztwory  kwasów  nieorganicznych  o  działaniu 

koroduj cym.  Roztwory  te  agresywnie  atakuj   brzegi  nieci gło ci  materiału  oraz  wy eraj   wtr cenia 

niemetaliczne,  w  zwi zku  z  czym  rzeczywisty  ich  obraz  cz sto  ulega  znacznemu  zniekształceniu.  Podobnie 

silniej  wytrawiaj   si   miejsca  niejednorodne  pod  wzgl dem  struktury  i  składu  chemicznego,  dzi ki  czemu 

uwidaczniaj   si   osie  dendrytów,  włóknisto   w  przedmiotach  walcowanych,  warstwy  zahartowane,  spoiny  w 

zł czach spawanych itd. Niejednokrotnie porowato  ujawniona na wytrawionym szlifie okazuje si  pozorn , a 

w rzeczywisto ci mog  to by  miejsca materiału o du ej segregacji fosforu lub skupie  wtr ce  niemetalicznych, 

które uległy roztrawieniu pod wpływem  działania  odczynnika.  W takich przypadkach konieczne jest poddanie 

badanego materiału uzupełniaj cym badaniom mikroskopowym lub trawieniu płytkiemu. 

Istotn   spraw   jest  równie   prawidłowy  dobór  odczynnika  do  okre lonego  zadania.  Np.  wtr cenia 

niemetaliczne  tlenków  aluminium  nie  trawi   si   w  roztworach  kwasu  solnego,  a  ulegaj   wytrawianiu  w 

mieszaninach roztworów kwasu solnego i azotowego. 

Jak wi c wida ,  gł bokie trawienie  stopów  elaza wymaga du ej wprawy, a  interpretacja  jego efektów 

(które nie zawsze s  jednoznaczne) wymaga du ego do wiadczenia. 

Ogólnie mo na powiedzie ,  e efekty gł bokiego trawienia zale  od nast puj cych czynników: 

•  wła ciwego doboru odczynnika trawi cego i jego st enia, 

•  temperatury i czasu trawienia, 

•  składu chemicznego badanej stali, jej czysto ci i stanu obróbki cieplnej. 

background image

Bardziej kontrastowy obraz makrostruktury uzyskuje si  przez  krótkie trawienie kwasami o  silniejszym 

st eniu,  ni   przedłu one  trawienie  kwasami  bardzie  rozcie czonymi.  Podwy szona  temperatura  odczynnika 

wzmaga  intensywno   trawienia  i  skraca  jego  czas.  Stale  o  wi kszej  zawarto ci  w gla  (do  ok.  0,5%)  łatwiej 

ulegaj  trawi cemu działaniu odczynnika. Stopie  czysto ci stali równie  wpływa na obraz makrostruktury; jest 

on tym bardziej jednorodny i gładki, im wi cej kwasu solnego i azotowego (odczynnik Tuckera – 45 ml HCl + 

15 ml HF + 15 ml HNO

3

 + 25 ml H

2

O), magnez i jego stopy – 10% roztworem kwasu octowego lodowatego, 

cyn  i jej stopy (zwłaszcza stopy ło yskowe) – st onym wodnym roztworem siarczku amonowego itd. 

Dokładny  opis  odczynników do  bada   makrostruktury  metali i  stopów nie elaznych  podaje norma PN-

61/H-04511. 

Bezpo rednio po trawieniu, próbki przemywa si  najpierw bie c  wod , potem alkoholem etylowym, a 

nast pnie dokładnie suszy. 

 

Próba Baumanna 

Prób  Baumanna stosuje si  do ujawnienia rozmieszczenia siarki w wyrobach stalowych. Polega ona na 

tym,  e papier fotograficzny bromosrebrowy moczy si  w 5% wodnym roztworze kwasu siarkowego przez 2 do 

5  minut,  nast pnie  suszy  bibuł ,  umieszcza  emulsj   na  wyszlifowanej  powierzchni  próbki  i  silnie  dociska.  za 

po rednictwem  kwasu  siarkowego  zawartego  w  papierze,  wtr cenia  siarczków  elaza  i  manganu  wywołuj  

reakcj  bromku srebra na br zowy siarczek srebra: 

FeS + H

2

SO

4

 = FeSO

4

 + H

2

MnS + H

2

SO

4

 = MnSO

4

 + H

2

2AgBr + H

2

S = 2HBr + Ag

2

Po kilku minutach papier zdejmuje si , utrwala w oboj tnym utrwalaczu fotograficznym przez 10 do 20 

min,  przemywa  wod   i  suszy.  Ciemne  punkty  na  papierze  odpowiadaj   rozmieszczeniu  siarczków  na 

powierzchni próbki. 

Trzeba  podkre li ,  e  zgniot  materiału  wpływa  na  intensywno   zaciemnieniu  próbki.  Dlatego  w 

przypadku materiałów odkształconych na zimno, przed szlifowaniem próbki nale y j  wy arzy . 

 

PRZYKŁADY MIKROSTRUKTUR 

 

 

Fot. 1. Przekrój poprzeczny piaskowego odlewu aluminiowego (g ski), po wytrawieniu wodnym roztworem 

kwasu fluorowodorowego. Wyra nie widoczna strefa kryształów słupkowych zorientowanych prostopadle do 

cianek formy (w kierunku odpływu ciepła) oraz strefa kryształów równoosiowych ró nej wielko ci. Pow. ok. 

1x. 

 

 

Fot. 2. Przekrój osiowy stalowej odkuwki matrycowej, po wytrawieniu odczynnikiem Oberhoffera. Widoczny 

układ włókien. Pow. ok. 1x. 

background image

 

Fot. 3. Przekrój osiowy stalowej odkuwki matrycowej, po wytrawieniu odczynnikiem Oberhoffera. Widoczny 

układ włókien. Pow. ok. 1x. 

 

 

Fot. 4. Zł cze k towe z jednostronn , wielowarstwow  spoin  pachwinow  po gł bokim wytrawieniu (na 

gor co) wodnym roztworem HCl + HNO

3

. Lico spoiny jednostronnie rozlane. W materiale spoiny oraz na 

granicy spoiwa i metalu rodzimego widoczne za u lenia ró nej wielko ci. Widoczny brak przetopu: miejscami 

brak wtopienia. W materiale rodzimym widoczne włóka tekstury. Pow. ok. 2x. 

 

 

Fot. 5. Zł cze spawane jak na Fot. 4. lecz po powierzchniowym trawieniu 20% alkoholowym roztworem HNO

3

Lico spoiny jednostronnie rozlane. W materiale spoiny widoczne pojedyncze drobne za u lenia. Widoczny brak 

przetopu. Wyra ne strefy wpływu ciepła od poszczególnych warstw. W niektórych warstwach wewn trznych 

widoczna szczegółowa struktura gruboziarnista, analogiczna do struktury warstwy zewn trznej. Pow. ok. 1,75x.