Wydział: imir grupa STUDENCKA: 5 ZESPÓŁ ii |
Krzysztonek Kamil
TEMAT: OBSERWACJE MAKROSKOPOWE TWORZYW METALICZNYCH. |
ZALICZENIE: |
Badania makroskopowe tworzyw metalicznych mają na celu ujawnienie struktury oraz wad powierzchniowych i wewnętrznych widocznych nieuzbrojonym okiem lub przy użyciu przyrządów optycznych w zakresie powiększeń do ok. 50x. Rozpoznaną w ten sposób budowę badanego obiektu nazywamy makrostrukturą.
Badania makrostruktur możemy przeprowadzić zarówno na półfabrykatach, jak i wyrobach gotowych, sposobami niszczącymi lub nieniszczącymi, metodą bezpośrednią lub pośrednią.
Obserwacje makroskopowe dostarczają nam wiele informacji. Jesteśmy w stanie określić makroskopowe wady materiałowe (m.in. pęknięcia odlewnicze, pozostałości jamy skurczowej, pęcherze gazowe) oraz wady wtórne. Największą rolą badań makroskopowych jest konieczność kontroli jakości procesu produkcji i dalszego przetwórstwa, celem niedopuszczenia do przerobu tworzyw z makroskopowymi wadami materiałowymi oraz eliminowanie błędów w procesie ich produkcji i dalszego przetwórstwa.
Wyróżniamy następujące rodzaje badań makroskopowych:
badania niszczące prowadzone na makrozgładach oraz na wykonanych w sposób kontrolowany specjalnych przełomach;
badania nieniszczące prowadzone bezpośrednio na powierzchni zewnętrznej półwyrobów i wyrobów gotowych oraz na powierzchni przełomów naturalnych;
badania z pośrednim obrazem wad makroskopowych wewnętrznych;
badania wyrywkowe, losowe lub badania stuprocentowe.
Najbardziej rozpowszechnionym rodzajem badań makroskopowych są badania odpowiednio przygotowanych powierzchni przekrojów tworzywa, czyli makrozgładów.
Płaszczyzna przekroju, którą przygotowujemy na makrozgład powinna znajdować się w odpowiedniej odległości od powierzchni powstałej w miejscu przecięcia półwyrobu lub wyrobu gotowego. Następnie usuwa się zmienioną makrostrukturę przylegającą do płaszczyzny przekroju poprzez wstępną obróbkę mechaniczną powierzchni przecięcia, która polega na struganiu, frezowaniu lub szlifowaniu. Końcowa obróbka mechaniczna płaszczyzny przekroju sprowadza się do szlifowania na papierach, płótnach lub specjalnych tarczach szlifierskich o odpowiednio dobranej gradacji ścierniwa. Przygotowana w ten sposób makrozgład poddaje się odtłuszczeniu oraz trawieniu różnymi odczynnikami, dobranymi odpowiednio do założonego celu badań makroskopowych
Udział objętościowy zanieczyszczeń w stali jest bardzo mały. Ma on jednak znaczący wpływ na własności gotowego wyrobu. Do domieszek szkodliwych znajdujących się stalach, zaliczamy przede wszystkim siarkę i fosfor. W zależności od klasy jakości stali zawartość powyżej wymienionych pierwiastków waha się w granicach 0,015+0,050% siarki i 0,025-0,040% fosforu.
Siarka w temperaturach otoczenia nie rozpuszcza się w żelazie α, co powoduje powstanie siarczków. Wraz z podwyższaniem temperatury rozpuszczalność siarki zaczyna rosnąć osiągając 0,02% przy 927°C w Feα i 0,05% przy 1365°C w Feγ. Najczęstszym objawem szkodliwego wpływu siarki na własności stali jest duża kruchość na gorąco. Efektem jest utrata spójności oraz pękanie po granicach ziarn w czasie przeróbki plastycznej. Problem kruchości na gorąco możemy zniwelować dodając do stali mangan.
Obecność siarki w wyrobach stalowych możemy ujawnić w próbie Baumanna, w postaci odbitki na papierze fotograficznym. Próbę przeprowadzamy mocząc papier fotograficzny bromosrebrowy przez kilka minut w 2-5% wodnym roztworze kwasu siarkowego, następnie odsączamy bibułą nadmiar kwasu i przykładamy emulsją do powierzchni makrozgładu. Po upływie ok. 1-5 minut papier zdejmujemy, płuczemy w wodzie, utrwalamy przez ok. 10 minut i ponownie płuczemy w wodzie oraz suszy. Na tak przygotowanej odbitce siarkę widzimy w postaci zaczernionych miejsc.
Drugą niepożądaną domieszką w stalach jest fosfor, który ma bardzo dużą rozpuszczalność w żelazie α i γ, umacniając przy tym ferryt. Oddziaływanie na własności stali ulega spotęgowaniu spowodowanemu wyjątkową skłonnością tego pierwiastka do segregacji. Występowanie fosforu w stali powoduje większą kruchość na zimno, która wiąże się z podwyższeniem temperatury przejścia w stan kruchy, dlatego dużą wagę przykłada się do ograniczenia zawartości fosforu oraz sposób jego rozmieszczenia.
Segregację fosforu możemy wykryć odczynnikami Heyna, Anczyca. Próbę wykrycia fosforu przeprowadza się zanurzając wcześniej przygotowany makrozgład w odczynniku i wytrzymuje na okres 0,5-5 minut. Następnie po wyjęciu z odczynnika powierzchnię spłukuje się strumieniem wody i przeciera watą, aby usunąć nadmiar osadzonej miedzi. W przypadku gry nie da się usunąć miedzi, powierzchnię zgładu przemywamy wodnym roztworem amoniaku. W efekcie prawidłowo przeprowadzonej próby możemy zaobserwować miejsca brunatne pochodzące z osadzonej miedzi, która przywiera silniej w miejscach występowania fosforu.
Zastosowanie podczas próby odczynnika Oberhoffera daje nam obraz rozmieszczenia fosforu o odwróconym kontraście w stosunku do wyników, jakie uzyskaliśmy odczynnikami Heyna i Anczyca.
Stosowanie badań makroskopowych przełomów ma na celu ujawnienie ścieżki pękania materiału, która wynika z dużych naprężeń rozciągających. Miejscami najbardziej podatnymi na pękanie są wszelkiego rodzaju wady materiałowe.
Identyfikacje, klasyfikacje poszczególnych rodzajów wad materiałowych oraz włóknistość materiału dającą możliwość oceny stopnia jego przeróbki plastycznej możemy wykryć w próbie przełomu niebieskiego. Badanie to wykonuje się wycinając próbki w postaci płytki o grubości od 20 do 40 mm, następnie wykonujemy na środku karb na głębokość od 1/5 do 1/4 grubości płytki. Kolejnym krokiem jest nagrzanie próbki do temperatury ok. 400°C, ustawienie na prasie i łamanie przy temperaturze próbki ok. 300°C. W efekcie przełom pokrywa się tlenkami żelaza o zabarwieniu niebieskim. W tle widoczne są makroskopowe skupiska faz o charakterze niemetalicznym. Możemy również zauważyć miejsca segregacji o jaśniejszej barwie niebieskiej oraz płatki wodorowe, które mają zabarwienie ciemnobrązowe.
Chcąc określić wielkości ziarna, skłonność do przegrzania i grubości warstwy zahartowanej na przełomach stali narzędziowych musimy przeprowadzić następującą próbę: z gotowego wyrobu pobieramy próbki o przekroju 27x27 lub 30x30, następnie obrabiamy mechanicznie na wymiar 25x25x120 i nacinamy karb o głębokości 3 mm. Tak przygotowaną próbkę poddajemy procesowi wyżarzania, austenityzowania w czterech różnych temperaturach (760, 800, 840, 880°C), następnie hartowania w wodzie i łamania. Na przełomach mierzymy grubość warstwy zahartowanej, określamy liczbę pęknięć oraz określamy wielkość ziarna, a następnie porównujemy z dziesięciostopniową skalą wzorcową Jernkontoret. Wynik przeprowadzonego badania zapisuje się skrótowo w następujący sposób: 9/5 3P (licznik oznacza wielkość ziania w warstwie zahartowanej według skali Jernkontoret, mianownik określa grubość warstwy zahartowanej w mm, a liczba całkowita przed P liczbę zaobserwowanych na przełomie pęknięć.
W przypadku awarii, katastrof maszyn oraz konstrukcji metalowych mamy do czynienia z przełomami naturalnymi. Badania makroskopowe tych przełomów, mają na celu wyjaśnić przyczyny powstania pęknięcia i zapobiec podobnym zdarzeniom w przyszłości.
Podczas pękania rozdzielczego możemy rozróżnić następujące przełomy:
ciągliwy - powstaje w momencie pękania tworzyw metalicznych z udziałem odkształceń plastycznych. Cechą charakterystyczną jest wygląd włóknisty, matowy oraz przewężenie pękniętego elementu. Na przełomie ciągliwym możemy wyróżnić trzy strefy: środkową włóknistą, pośrednią promienistą, brzegową ściętą.
kruchy - występuje podczas nagłego, katastroficznego pękania elementów konstrukcyjnych, bez udziału odkształceń plastycznych. Cechuje się on wyglądem ziarnistym, błyszczącym. Stopień płaskości jego powierzchni świadczy o stopniu przeciążenia materiału i jego kruchości w warunkach.
zmęczeniowy - podobnie jak przełom kruchy odbywa się bez udziału odkształcenia plastycznego i występuje w elementach konstrukcyjnych przenoszących obciążenia zmienne o dużej liczbie cykli. Front pęknięcia rozprzestrzenia się powoli i skokowo, natomiast po przekroczeniu krytycznej wielkości szczeliny następuje ostateczne przełamanie rozdzielcze w postaci tzw. „dołomu", z nagłym utworzeniem strefy przełomu doraźnego, najczęściej o charakterze kruchym. Wygląd przełomu zmęczeniowego jest zróżnicowany i dzieli się na dwie strefy:
strefy pękania zmęczeniowego - powierzchnia gładka z wyraźnie zaznaczonymi koncentrycznymi liniami kolejnych przystanków frontu pękania, których środek wyznacza położenie ogniska pęknięcia.
strefy przełomu doraźnego - powierzchnia chropowata, o charakterze kruchym.
2