METALOGRAFICZNA ANALIZA MAKROSKOPOWA

Wiadomości podstawowe

A. Cel i zakres metalograficznej analizy makroskopowej

Metalograficzną analizę makroskopową elementów metalowych przeprowadza się w celu ujawnienia i przebadania ich charakterystycznych cech strukturalnych możliwych do zaobserwowania nieuzbrojonym okiem lub pod niewielkimi powiększeniami, zwykle nie przekraczającymi 30x. Badaniom poddaje się bądź bezpośrednio zewnętrzne powierzchnie wyrobów metalowych, bądź ich złomy, bądź też specjalnie przygotowane powierzchnie.

Do obserwacji makroskopowych znajdują zastosowanie wszelkiego rodzaju lupy ręczne lub z podstawkami, mikroskopy stereoskopowe wyposażone zwykle w dwa okulary i komplet wymiennych obiektywów oraz stolik przedmiotowy i oświetlacz, jak również mikroskopy metalograficzne wyposażone w urządzenia do obserwacji makroskopowej, umożliwiające najczęściej również fotografowanie.

Badania makroskopowe umożliwiają:

1. Analizę charakterystycznych cech struktury odlewniczej:

• określenie rodzaju, rozkładu i wielkości kryształów pierwotnych,

• ujawnienie wad materiałowych, takich jak: jamy skurczowe, pęcherze gazowe, zażużlenia, pory, pęknięcia, itp.

2. Analizę charakterystycznych cech strukturalnych wyrobów przerobionych plastycznie (walcowanych, kutych, ciągnionych, itp.):

• ujawnienie kierunku plastycznego płynięcia metalu (przebiegu włókien),

• ujawnienie wad powstałych podczas przerobu plastycznego, tak jak: zawalcowania, zakucia, skupiska wtrąceń niemetalicznych, pęknięcia, pozostałości struktury pierwotnej, itp.

3. Określanie rozkładu węgla, fosforu i siarki w stopach żelaza (odlewach i wyrobach przerobionych plastycznie).

4. Określenie niejednorodności strukturalnej i chemicznej w wyrobach obrobionych cieplnie i cieplno-chemicznie: stal jest bardziej czysta. Jednorodny i gładki obraz makrostruktur uzyskuje się również po trawieniu stali zahartowanych, podczas gdy stale odpuszczone (zwłaszcza w zakresie temperatur 150 - 400°C) wytrawiają się znacznie głębiej.

Częściej stosowane odczynniki do głębokiego trawienia stopów żelaza w temperaturze 60 - 70°C:

• 100 ml HCl (1,19) + 100 ml H₂O,

• 38 ml HCl (1,19) + 12 ml H₂SO₄ (1,83) + 50 ml H₂O,

• 50 ml HCl (1,19) + 25 ml H₂SO₄ (1,83) + 100 ml H₂O.

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

Należy podkreślić, że z uwagi na trujące działanie par wydzielających się podczas trawienia na gorąco, trawienie to można przeprowadzać wyłącznie w warunkach sprawnie działającej wentylacji (pod wyciągiem).

Po zakończeniu trawienia, a badanej powierzchni należy usunąć pozostałości kwasów przez przemycie szczotką w strumieniu ciepłego powietrza.

Trawienie płytkie stali niestopowych

Trawienie płytkie lub powierzchniowe ma wiele zalet w stosunku do trawienia głębokiego, pozwala ono bowiem na ujawnianie bardziej subtelnych elementów struktury i umożliwia bardziej jednoznaczną ich ocenę. Wymagane jest natomiast dużo dokładniejsze przygotowanie powierzchni do badań, np. szlifowanie na bardzo drobnym papierze ściernym, a czasem nawet polerowanie (np. dla oceny wielkości ziarn, kierunku ich wzrostu itp.). Niektóre z odczynników do trawienia powierzchniowego znajdują zastosowanie również i do badań mikroskopowych.

Do płytkiego trawienia stopów żelaza stosuje się najczęściej odczynniki miedziowe, tzn. roztwory soli miedzi. Jednym z najbardziej znanych jest odczynnik Heyna, służący do ujawniania segregacji fosforu i węgla oraz w pewnym stopniu struktury pierwotnej. Składa się on z 10 g chlorku amonowo-miedziowego i 100 ml wody destylowanej. Miejsca bogate w fosfor barwią się na brunatno, bogatsze w węgiel - 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 się 50 ml kwasu solnego (1,19) i 15 g chlorku żelazowego. Odczynnik ten wyraźnie ujawnia spoiny i warstwy napawane.

Do ujawniania miejscowych odkształceń plastycznych stosuje się odczynnik Fry o składzie: 120 ml kwasu solnego, 20 g chlorku miedziowego i 100 ml wody destylowanej. Odczynnik ten silnie atakuje strefy, w których została przekroczona granica plastyczności, ujawniając je w postaci tzw. „linii działania sił”. Trawienie odczynnikiem Fry należy wykonywać wyłącznie w rękawiczkach gumowych.

Do ujawniania rozmieszczenia fosforu i dendrytów służy odczynnik Oberhoffera o składzie: 0,5 g chlorku cynowego, 1 g chlorku miedziowego, 30 g chlorku żelazowego i 50 ml kwasu solnego na 500 ml wody i 500 ml alkoholu etylowego. Miejsca wolne od fosforu ulegają wytrawieniu i ciemnieją, obszary zawierające fosfor pozostają błyszczące.

W poszczególnych przypadkach dobre wyniki uzyskuje się również przy pomocy trawienia roztworami kwasów. Przykładem tego typu odczynnika jest 20% roztwór alkoholowy HNO₃, stosowany do ujawniania budowy spoin oraz stref przegrzania w złączach spawanych.

Dokładny wykaz odczynników do badań makroskopowych stopów żelaza zawiera norma PN-61/H-04502. Podaje ona oprócz składu chemicznego odczynnika również opis jego działania i dokładny sposób trawienia.

Trawienie metali nieżelaznych

Wytrawianie próbek metali nieżelaznych do badań makroskopowych wykonuje się innymi odczynnikami. Na przykład, miedź i jej stopy wytrawia się 10% roztworem amoniaku z dodatkiem kilku kropli wody utlenionej, stopy aluminium - wodnym roztworem kwasu fluorowodorowego lub wodnym roztworem mieszaniny kwasów fluorowodorowego, solnego. Ujawniona zostaje grubość warstwy zahartowane, nawęglonej i odwęglonej;

5. Wykrywanie pęknięć hartowniczych w przedmiotach obrobionych cieplnie;

6. Wykrywanie pęknięć szlifierskich na powierzchniach przedmiotów szlifowanych;

7. Wykrywanie wad w przedmiotach spawanych, zgrzewanych lub lutowanych i określanie jakości połączeń;

8. Analizę powierzchni złomów;

9. Analizę uszkodzeń eksploatacyjnych materiału.

B. Przygotowanie próbek do badań

Jak już wspomniano, badania makroskopowe mogą obejmować całe przedmioty, jak i odpowiednio wycięte z nich próbki różnej wielkości.

W wielu przypadkach (np. odlewy, wyroby walcowane, złomy) powierzchnie podlegające badaniom obserwuje się bez specjalnego ich przygotowania, jedynie po ewentualnym oczyszczeniu i odtłuszczeniu. Najczęściej jednak po odcięciu próbki piłą lub palnikiem, obrabia się jej powierzchnię wstępnie na strugarce lub frezarce, a następnie szlifuje na szlifierce lub papierach ściernych o coraz drobniejszym ziarnie. Tak przygotowaną próbkę wytrawia się odpowiednim odczynnikiem.

W makroskopowych badaniach wyrobów stalowych stosowane są dwie metody trawienia: trawienie głębokie i trawienie płytkie.

Trawienie głębokie stali niestopowych

Trawienie głębokie znajduje zastosowanie przy makroskopowych badaniach wyrobów stalowych do ujawniania takich wad materiałowych jak: pęknięcia, pęcherze gazowe, rzadzizny, zażużlenia, zakucia, zawalcowania, skupiska wtrąceń niemetalicznych, a także do ujawniania segregacji składników chemicznych, struktury pierwotnej, włóknistości w wyrobach przerobionych plastycznie itp.

Odczynnikami do głębokiego trawienia są silne roztwory kwasów nieorganicznych o działaniu korodującym. Roztwory te agresywnie atakują brzegi nieciągłości materiału oraz wyżerają wtrącenia niemetaliczne, w związku z czym rzeczywisty ich obraz często ulega znacznemu zniekształceniu. Podobnie silniej wytrawiają się miejsca niejednorodne pod względem struktury i składu chemicznego, dzięki czemu uwidaczniają się osie dendrytów, włóknistość w przedmiotach walcowanych, warstwy zahartowane, spoiny w złączach spawanych itd. Niejednokrotnie porowatość ujawniona na wytrawionym szlifie okazuje się pozorną, a w rzeczywistości mogą to być miejsca materiału o dużej segregacji fosforu lub skupień wtrąceń niemetalicznych, które uległy roztrawieniu pod wpływem działania odczynnika. W takich przypadkach konieczne jest poddanie badanego materiału uzupełniającym badaniom mikroskopowym lub trawieniu płytkiemu.

Istotną sprawą jest również prawidłowy dobór odczynnika do określonego zadania. Np. wtrącenia niemetaliczne tlenków aluminium nie trawią się w roztworach kwasu solnego, a ulegają wytrawianiu w mieszaninach roztworów kwasu solnego i azotowego.

Jak więc widać, głębokie trawienie stopów żelaza wymaga dużej wprawy, a interpretacja jego efektów (które nie zawsze są jednoznaczne) wymaga dużego doświadczenia.

Ogólnie można powiedzieć, że efekty głębokiego trawienia zależą od następujących czynników:

• właściwego doboru odczynnika trawiącego i jego stężenia,

• temperatury i czasu trawienia,

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

Bardziej kontrastowy obraz makrostruktury uzyskuje się przez krótkie trawienie kwasami o silniejszym stężeniu, niż przedłużone trawienie kwasami bardzie rozcieńczonymi. Podwyższona temperatura odczynnika wzmaga intensywność trawienia i skraca jego czas. Stale o większej zawartości węgla (do ok. 0,5%) łatwiej ulegają trawiącemu działaniu odczynnika. Stopień czystości stali również wpływa na obraz makrostruktury; jest on tym bardziej jednorodny i gładki, im więcej kwasu solnego i azotowego (odczynnik Tuckera - 45 ml HCl + 15 ml HF + 15 ml HNO₃ + 25 ml H₂O), magnez i jego stopy - 10% roztworem kwasu octowego lodowatego, cynę i jej stopy (zwłaszcza stopy łożyskowe) - stężonym wodnym roztworem siarczku amonowego itd.

Dokładny opis odczynników do badań makrostruktury metali i stopów nieżelaznych podaje norma PN-61/H-04511.

Bezpośrednio po trawieniu, próbki przemywa się najpierw bieżącą wodą, potem alkoholem etylowym, a następnie dokładnie suszy.

Próba Baumanna

Próbę Baumanna stosuje się do ujawnienia rozmieszczenia siarki w wyrobach stalowych. Polega ona na tym, że papier fotograficzny bromosrebrowy moczy się w 5% wodnym roztworze kwasu siarkowego przez 2 do 5 minut, następnie suszy bibułą, umieszcza emulsją na wyszlifowanej powierzchni próbki i silnie dociska. za pośrednictwem kwasu siarkowego zawartego w papierze, wtrącenia siarczków żelaza i manganu wywołują reakcję bromku srebra na brązowy siarczek srebra:

FeS + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂S

MnS + H₂SO₄ = MnSO₄ + H₂S

2AgBr + H₂S = 2HBr + Ag₂S

Po kilku minutach papier zdejmuje się, utrwala w obojętnym utrwalaczu fotograficznym przez 10 do 20 min, przemywa wodą i suszy. Ciemne punkty na papierze odpowiadają rozmieszczeniu siarczków na powierzchni próbki.

Trzeba podkreślić, że zgniot materiału wpływa na intensywność zaciemnieniu próbki. Dlatego w przypadku materiałów odkształconych na zimno, przed szlifowaniem próbki należy ją wyżarzyć.

PRZYKŁADY MIKROSTRUKTUR

Fot. 1. Przekrój poprzeczny piaskowego odlewu aluminiowego (gąski), po wytrawieniu wodnym roztworem kwasu fluorowodorowego. Wyraźnie widoczna strefa kryształów słupkowych zorientowanych prostopadle do ścianek formy (w kierunku odpływu ciepła) oraz strefa kryształów równoosiowych różnej wielkości. Pow. ok. 1x.

Fot. 2. Przekrój osiowy stalowej odkuwki matrycowej, po wytrawieniu odczynnikiem Oberhoffera. Widoczny układ włókien. Pow. ok. 1x.

Fot. 3. Przekrój osiowy stalowej odkuwki matrycowej, po wytrawieniu odczynnikiem Oberhoffera. Widoczny układ włókien. Pow. ok. 1x.

Fot. 4. Złącze kątowe z jednostronną, wielowarstwową spoiną pachwinową po głębokim wytrawieniu (na gorąco) wodnym roztworem HCl + HNO₃. Lico spoiny jednostronnie rozlane. W materiale spoiny oraz na granicy spoiwa i metalu rodzimego widoczne zażużlenia różnej wielkości. Widoczny brak przetopu: miejscami brak wtopienia. W materiale rodzimym widoczne włóka tekstury. Pow. ok. 2x.

Fot. 5. Złącze spawane jak na Fot. 4. lecz po powierzchniowym trawieniu 20% alkoholowym roztworem HNO₃. Lico spoiny jednostronnie rozlane. W materiale spoiny widoczne pojedyncze drobne zażużlenia. Widoczny brak przetopu. Wyraźne strefy wpływu ciepła od poszczególnych warstw. W niektórych warstwach wewnętrznych widoczna szczegółowa struktura gruboziarnista, analogiczna do struktury warstwy zewnętrznej. Pow. ok. 1,75x.

---