Badania mikroskopowe metali

1. Zasada działania mikroskopu metalograficznego.

Na laboratorium podstawowym narzędziem z jakiego korzystałem do badania próbek metali był mikroskop metalograficzny. Jest to mikroskop różniący się od „zwykłych” mikroskopów biologicznych. Korzysta on bowiem z własnego, bardzo mocnego światła, które oświetla badaną próbkę

Lampa żarowa o gęstym uzwojeniu stwarza punktowe źródło światła, soczewki kondensorowe wytwarzają równoległe wiązkę promieni świetlnych o dużej intensywności. Przesłona przepuszcza środkową część wiązki promieni zatrzymując promienie zewnętrzne powodujące błędy optyczne. Zmniejszenie przesłony aperturowej zmniejsza ilość światła biorącego udział w powstawaniu obrazu, ale jednocześnie powoduje wyostrzenie obrazu.

Oświetlacze metalograficzne bywają w zasadzie trzech typów. Wyróżniamy dwa typy oświetlaczy do światła prostopadłego, padającego prostopadle na szlif i jeden do światła padającego ukośnie na szlif (tzw. oświetlacz ciemnego pola). Każdy mikroskop metalograficzny ma możliwość łatwej wymiany oświetlaczy. Zastosowanie poszczególnych oświetlaczy dostosowuje się do charakteru badań i rodzaju struktury.

2. Badania mikroskopowe stali

2.1 Krótka charakterystyka stali węglowych i stopowych.

Stale węglowe są modelową grupą stali niestopowych. W zależności od zawartości węgla w stanie wyżarzonym stale węglowe, pod względem struktury, dzielimy na następujące grupy:

• Stale podeutektoidalne:

• ferrytyczne - do zawartości ok. 0,1% C - wykazujące strukturę ferrytu,

• ferrytyczno-perlityczne - do 0,4% C - w strukturze występuje przewaga ferrytu,

• perlityczno-ferrytyczne - powyżej 0,4% C - przewaga perlitu w strukturze,

• Stale eutektoidalne:

• perlityczne - 0,77% C - struktura perlityczna,

• Stale nadeutektoidalne:

• w strukturze występuje perlit z cementytem drugorzędowym.

Stale stopowe, są to stale, do których wprowadza się pierwiastki stopowe w ilościach przekraczających minimalne stężenie w celu spowodowania określonych zmian strukturalnych, zwiększenia własności wytrzymałościowych i polepszenie własności chemicznych i/lub fizycznych, zwiększenia hartowności lub polepszenia efektywności, lub ułatwienia obróbki cieplnej.

Podział stali stopowych obejmuje:

• stale konstrukcyjne, maszynowe i urządzenia ciśnieniowe stosowane w budownictwie przemysłowym, ogólnym, w budowie maszyn i urządzeń pracujących w zakresie temperatury od ok. 25ºC do 300ºC,

• stale konstrukcyjne trudno rdzewiejące,

• stale maszynowe,

• stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego,

• stale stopowe maszynowe do nawęglania lub azotowania,

• stale na elementy łożysk tocznych,

• stale narzędziowe (szybkotnące, do pracy na gorąco, do pracy na zimno).

1. Badane próbki.

Na zajęciach zbadałem i rozpoznałem dwie próbki stali. Pierwszą, o numerze 4.1 rozpoznałem jako stal nawęgloną i zahartowaną, 10 wg PN/H 84012. Pod mikroskopem widziałem martenzyt pod postacią igieł skierowany od powierzchni w kierunku rdzenia oraz wydzielenia cementytu. Dalej banit również pod postacią igieł, a następnie drobny, ciemny perlit na jasnym tle ferrytycznym.

Stal trawiona była odczynnikiem „Nital” o składzie: 4ml kwasu azotowego
oraz 96ml alkoholu etylowego
.

Skład chemiczny stali nawęglonej i zahartowanej:

C - 0,12%, Mn - 0,51%, Si - 0,28%, P - 0,031%, S - 0,038%, Cr - 0,13%, Ni-0,21%, Cu - 0,18%.

Próbka 4.1 -

stal nawęglona i zahartowana

powiększenie 230x

Druga próbka stali, którą obserwowałem pod mikroskopem metalograficznym o numerze 2.2 rozpoznałem jako stal wyżarzoną, 15 wg PN/H - 84019. Według nowych norm: PN-EN 10083.

Pod mikroskopem widziałem jasne ziarna ferrytu, oraz ciemne perlitu.

Stal trawiona była odczynnikiem „Nital” o składzie: 4ml kwasu azotowego
oraz 96ml alkoholu etylowego
.

Skład chemiczny stali wyżarzanej:

C - 0,16%, Mn - 0,44%, Si - 0,25%, P - 0,03%, S - 0.032%, Cr - 0,1%, Ni - 0,2%, Cu - 0,18%.

Próbka 2.2 -

stal wyżarzana powiększenie 100x

3. Badania mikroskopowe żeliw

3.1 Krótka charakterystyka żeliw

Żeliwo - jest to stop żelaza, otrzymany w drodze przetopienia surówki, zawierający ponad 2,5 ÷ 4,5% C oraz inne składniki, z których krzem, mangan, fosfor i siarka są zawsze obecne. Węgiel w żeliwach może występować w dwóch postaciach: w stanie wolnym jako grafit lub w postaci związanej jako cementyt.

Grafit w żeliwie może występować w trzech postaciach jako:

• grafit płatkowy, o kształcie żyłek lub pasemek (żeliwo szare),

• grafit sferoidalny, o kształcie kulistym (żeliwo sferoidalne),

• grafit kłaczkowaty o kształcie zwartym, lecz nie kulkowym (żeliwo ciągliwe).

Podział żeliw szarych, niestopowych (węglowych):

• żeliwa zwykłe maszynowe,

• żeliwa modyfikowane,

• żeliwa sferoidalne.

Ponadto wyróżnia się tez następujące żeliwa niestopowe:

• żeliwo białe,

• żeliwo połowiczne,

• żeliwa ciągliwe.

Żeliwa szare stopowe dzieli się na:

• żeliwa o podwyższonej odporności na ścieranie,

• żaroodporne i żarowytrzymałe,

• odporne na korozję,

• do pracy w niskiej temperaturze,

• o specjalnych własnościach fizycznych.

3.2 Badane próbki.

Na zajęciach przebadałem jedną próbkę żeliwa. Oznaczona była numerem 1.6. Rozpoznałem ta próbkę jako żeliwo sferoidalne perlityczne ZsP50 wg PN/H - 83123, odlew. Według nowych norm: PN-EN 1563.

Pod mikroskopem widziałem grafit kulkowy w otoczce ferrytu, czyli „bawole oczy” na tle perlitu.

Stal trawiona była odczynnikiem „Nital” o składzie: 4ml kwasu azotowego
oraz 96ml alkoholu etylowego
.

Skład chemiczny: C - 2,60, Si - 2,26%, Mn - 0,62%, P - 0,11%, S - 0,002%, Cr - 0,08%, Mg - 0,07%.

Próbka 1.6 - Żeliwo sferoidalne, perlityczne powiększenie 100x

4. Metale kolorowe

4.1 Krótka charakterystyka metali kolorowych.

Metale kolorowe mają duże zastosowanie użytkowe.

Aluminium otrzymuje się za pomocą metod elektrometalurgicznych, a oczyszczenie jego przeprowadza się również tymi samymi metodami. W przemysłowej produkcji rozróżnia się aluminium hutnicze i rafinowe.

Ogólnie można stwierdzić, że szerokie zastosowanie stopów aluminium wynika z:

1. Małego ciężaru właściwego;

2. Dużej przewodności cieplnej i elektrycznej;

3. Dobrych własności mechanicznych;

4. Dobrej odporności chemicznej;

5. Niezdolności do iskrzenia i niepalności oraz paramagnatyzmu;

6. Łatwości kształtowania przedmiotów.

Stopy aluminium są używane w odlewach wysoko obciążonych tłoków silników, części o skomplikowanym kształcie odlewniczym, w przemyśle zbrojeniowym, elektrycznym, jako części w przemyśle okrętowym, do galanterii. Stopy aluminium do obróbki plastycznej, do wyrobów spawanych zbiorników dla cieczy i gazów, do wyrobów średnio obciążonych elementów konstrukcji okrętowej, lotniczej.

Miedź jest metalem barwy czerwonej, o gęstości 8,96 g/cm³ i temperaturze topnienia 1083°C. Można ją przerabiać plastycznie na zimno i na gorąco, ale w przypadku przeróbki na zimno następuje utwardzenie metalu (w wyniku zgniotu), które usuwa się przez wyżarzenie rekrystalizujące (w temp. 400-600°C). Przeróbkę plastyczną na gorąco przeprowadza się w temp. 650-800°C. Cennymi własnościami miedzi są wysoka przewodność elektryczna i cieplna odporność na korozję.

Stopami miedzi nazywa się stopy, w których metalem podstawowym (głównym składnikiem) jest miedź, z wyjątkiem stopów zawierających złoto lub srebro, które uważa się za stopy złota lub srebra, jeśli zawartość tych metali wynosi co najmniej 10%.

Ogólnie stopy miedzi, będące obecnie najbardziej rozpowszechnionymi materiałami konstrukcyjnymi po stopach żelaza i stopach aluminium, dzielą się na:

1. mosiądze

2. brązy,

3. miedzionikle,

4. stopy łożyskowe

5. stopy oporowe miedzi.

6. miedź stopową

4.2 Badane próbki.

Na zajęciach przebadałem jedna próbkę, o numerze 6.0, którą rozpoznałem jako Silumin nie modyfikowany, cecha AK9, znak AlSi9 wg PN/H - 88027, odlew. Według nowych norm: PN - EN 1676.

Pod mikroskopem widziałem duże, jasne kryształy roztworu stałego granicznego krzemu w aluminium na tle gruboziarnistej eutektyki złożonej z kryształów roztworu stałego i kryształów krzemu.

Metal ten używany jest w większych odlewach o dużej wytrzymałości (silnie i średnio obciążonym).

Trawiono odczynnikiem o składzie:

• 7,5 ml - kwasu fluorowego HF

• 25 ml - kwasu solnego HCl

• 8 ml - kwasu azotowego
  

• 1000 ml - wody destylowanej

Skład chemiczny: Si - 9,2%, Mg - 0,22%, Mn - 0,42%, Fe - 0,52%, Al - reszta.

Próbka 6.0 -

Silumin niemodyfikowany powiększenie 100x

5. Opis najnowszej symboliki stali narzędziowych stopowych.

Zgodni z PN stale stopowe konstrukcyjne były znakowane za pomocą cyfr i liter. Dwucyfrowa liczba na początku oznaczała zawartość C w setnych częściach procentu, litery oznaczały pierwiastki stopowe. Jeśli zawartość określonego pierwiastka była większa niż 1%, to po literze pierwiastka stawiało się cyfrę oznaczającą jego zawartość w procentach mas.

W normie PN - EN przyjęto inny system znakowania stali stopowych. Znaki stali stopowych narzędziowych (bez szybkotnących) o zawartości każdego pierwiastka <5% składają się z liczby wyrażającej zawartość węgla w procentach x 100, symboli pierwiastków stopowych według kolejności malejących ich zawartości i liczb określających zawartość pierwiastków pomnożonych przez współczynniki, które wynoszą: 4 dla Cr, Co, Mn, Ni, Si, W. Dla Al, Cu, Mo, Nb, Pb, Ti, V, Zr - 10, natomiast dla C, N, P, S - 100. Jedynie dla B - 1000. Liczy te oddziela się łącznikami, np. 30CrNiMo8-8-3 (odpowiednik stali 30H2N2M wg PN).

Znaki stali stopowych, w których przynajmniej jeden pierwiastek stopowy występuje w ilości ≥ 5% (bez szybkotnących) składa się z litery X, liczby wyrażającej zawartość C w procentach x 100, symboli chemicznych składników stopowych i liczb oznaczających średnią zawartość pierwiastków w procentach mas, oddzielanych łącznikami, np. X17CrNiSi26-20-3 (odpowiednik stali H25N20S2 wg PN).

Znak stali szybkotnących zaczyna się od liter HS, po nich następują kolejno liczby wskazujące na zawartości pierwiastków stopowych (W, Mo, V i Co) w procentach mas. (Cr nie podaje się, ponieważ we wszystkich stalach szybkotnących jego zawartość wynosi ok. 4%). Przykładowo znak HS18-0-1 odpowiada SW18 eg PN. Liczby oznaczają średnie zawartości pierwiastków zaokrąglone do najbliższej liczby całkowitej.

6. Wnioski.

Na zajęciach obserwowałem próbki różnych metali pod mikroskopem. Zadanie nie było proste, ponieważ próbki były poważnie uszkodzone co pod mikroskopem utrudniało obserwację. Mimo to starałem się rozpoznać poprawnie próbki.

8

---