Mechanika i budowa maszyn

grupa: L1

Jan Wyduba

Sprawozdanie nr 3

Badania mikroskopowe, budowa krystaliczna.

Badania mikroskopowe polegają na obserwacji odpowiednio przygotowanych powierzchni próbek za pomocą mikroskopu metalograficznego przy powiększeniach
20x-1800x.

Taki mikroskop działa na zasadzie światła odbitego, gdyż próbki metalowe choćby najcieńsze nie przepuszczają światła. Lampa żarowa wykorzystywana w mikroskopie wytwarza punktowe źródło światła, które po przejściu przez serię soczewek i przesłon odbija się od próbki i wraz z obrazem tej powierzchni trafia do okularu. Oświetlacze dzielimy na
3 typy, z czego 2 są od światła prostopadłego, a trzeci od światła ukośnego (tzw. oświetlacz ciemnego pola). Powierzchnia próbki musi być odpowiednio przygotowana poprzez szlifowanie i polerowanie. Takie zabiegi powodują zawsze pewne zniekształcenia, które utrudniają lub nawet uniemożliwiają obserwację właściwej struktury próbki. Rozwiązaniem tego problemu jest polerowanie elektrolityczne. W takiej metodzie katodę stanowi płytka kwasoodporna. Próbkę łączymy z dodatnim biegunem prądu w odległości około 5 mm i przy odpowiednio dobranych warunkach po upływie kilkudziesięciu sekund otrzymujemy wypolerowaną i nie zniekształconą próbkę gotową do badania lub wytrawienia.

Obserwacje prowadzi się na próbkach po procesie trawienia lub nie trawionych. Te pierwsze pozwalają na identyfikację: struktury metalu, faz, kształtu i wielkości ziarn, jakości powłok itd. W drugim przypadku badania mikroskopowe mają na celu poznanie rozmieszczenia wszelkich wtrąceń niemetalicznych, mikropęknięć, wykrycie pęcherzy gazowych itd. Do procesu trawienia używa się różnych odczynników w zależności od gatunku materiału wsadowego. Najczęściej stosowany jest 4% roztwór kwasu azotowego w alkoholu etylowym zwany „nitalem” lub „azotalem”. Jest on głównie stosowany do trawienia stopów żelazo-węgiel. Stosuje się również odczynniki o niższym stężeniu co przedłuża czas trwania procesu, ale zmniejsza ryzyko przetrawienia próbki. Inne często stosowane odczynniki są zamieszczone w polskich normach: PN – 61/H – 04503 i PN – 75/H – 04512.

Zastosowanie odczynnika	Skład chemiczny odczynnika	Sposób trawienia	Działanie
Uniwersalny do stopów Żelaza	Nital - Mi1Fe, 1—5 cm3 kwasu azotowego HNO3+ +100 cm3 alkoholu	Kilka s do kilku minut w zależności od rodzaju stopu	Ujawnia granice ziarn i składniki strukturalne stopów
Do stopów żelaza zwłaszcza do żeliwa	Pikral - Mi3Fe, 2—5 g kwasu pikrynowego + + 100 cm3 alkoholu etylowego	Jak dla Mi1Fe	Jak dla Mi1Fe
Ujawnia cementyt i azotki żelaza w stopach żelaza	Zasadowy pikrynian sodu - Mi9Fe, 25 g wodorotlenku sodowego NaOH, 2 g kwasu pikrynowego, 75 cm3 wody destylowanej	Jak dla Mi1Fe	Zabarwia na brunatny kolor cementyt i azotki żelaza - ferryt pozostawia jasny
Do stali stopowych chromowych i szybkotnących	Mi13Fe, 10 g żelazicyjanku, potasu, 10 g wodorotlenku potasu, 100 cm3 wody destylowanej	W temperaturze pokojowej	Barwi węgliki chromu na pomarańczowo, a nawet na czerwono; węgliki wolframu na brązowo
Do miedzi i mosiądzu	Mi24Cu, 10 g chlorku miedziowo-amonowego, 100 cm3 wody destylowanej	Trawić w odczynniku o temp. pokojowej. Czas trawienia – wg obserwacji wyniku	Powoduje zaciemnienie fazy w mosiądzach
Do aluminium i stopów Al.	Mi1Al, 0,5 cm3 kwasu fluorowodowego, 99,5 cm3 wody	Trawić w odczynniku o temp. pokojowej. Czas trawienia – wg obserwacji wyniku	Ujawnia granice ziarn czystego aluminium oraz fazy międzymetaliczne w stopach Al.
Do ołowiu i stopów Pb	Mi42Pb, 5 cm3 kwasu octowego lodowatego, 95 cm3 alkoholu etylowego	Trawić w odczynniku o temp. pokojowej. Czas trawienia – wg obserwacji wyniku	Ujawnia granice ziarn i struktury pierwotnej w stopach z Sb

W kryształach atomy są ułożone w powtarzających się odstępach w co najmniej trzech nierównoległych kierunkach. Każda prosta łącząca środki dowolnych dwóch atomów
w krysztale jest nazywana prostą sieciową. Najbliższa odległość atomów na prostej sieciowej w sieci prymitywnej nosi nazwę parametru sieci. Przesunięcie, czyli translacja prostej sieciowej, o parametr identyczności w kierunku różnym od kierunku prostej powoduje znalezienie płaszczyzny sieciowej. Płaszczyzna sieciowa poddana translacjom w kierunku do niej nierównoległym tworzy sieć przestrzenną. Elementami sieci przestrzennej są: płaszczyzny sieciowe, proste sieciowe, węzły sieci.

Metale krystalizują w pięciu układach krystalograficznych: regularnym, heksagonalnym, tetragonalnym, rombowym i romboedrycznym. Większość metali krystalizuje w układach krystalograficznych charakteryzujących się wysoką symetrią i dużą gęstością zapełnienia sieci przestrzennej atomami, w szczególności w sieciach:

A1 – ściennie (płasko) centrowanej układu regularnego,

A2 – przestrzennie centrowanej układu regularnego,

A3 – heksagonalnej o gęstym ułożeniu atomów.

Układ krystalograficzny	Parametry elementarnej komórki sieciowej	Typ sieci przestrzennej	Symbol sieci przestrzennej
Trójskośny	a ≠ b ≠ c α≠β≠ϒ≠90˚	prymitywna	P
Jednoskośny	a ≠ b ≠ c α=β=90˚≠ϒ	prymitywna centrowana na podstawach	P C
Rombowy	a ≠ b ≠ c α=β=ϒ=90˚	prymitywna przestrzennie centrowana ściennie centrowana centrowana na podstawach	P I F C
Romboedryczny (trygonalny)	a =b = c α=β=ϒ≠90˚	prymitywna	P
Heksagonalny	a = b ≠ c α=β=90˚ ϒ=120˚	prymitywna	P
Tetragonalny	a = b ≠ c α=β=ϒ=90˚	prymitywna przestrzennie centrowana	P I
Regularny	a = b = c α=β=ϒ=90˚	prymitywna przestrzennie centrowana ściennie centrowana	P I F

W metaloznawstwie do dokładnego określenia miejsca w sieci przestrzennej służą:

• wskaźniki węzła

• wskaźniki kierunku

• wskaźniki płaszczyzny.

Współrzędne węzła sieciowego określają liczby parametru sieci a, b, i c, o które oddalony jest węzeł od początku obranego układu współrzędnych. Pozycje atomów centrujących podaje się za pomocą współrzędnych ułamkowych.

Kierunki sieci oznacza się wskaźnikami kierunków. Podaje się go w nawiasach kwadratowych [u v w]. Znak ujemny jeżeli takowy występuje zapisujemy nad współrzędną.

Opis położenia płaszczyzny umożliwia wskaźnik Millera. Aby oznaczyć płaszczyznę należy określić liczbę parametru sieci odciętej na osi, wyznaczyć odwrotność i sprowadzić do wspólnego mianownika. Parametry wskaźnika spisujemy z liczników w okrągłym nawiasie
(h k l). Jeżeli płaszczyzna jest równoległa do osi układu współrzędnych, to dany współczynnik przyjmuje wartość 0. Podobnie jak przy wskaźniku kierunku znaki ujemne zapisujemy nad wskaźnikiem.

Innymi ważnymi wielkościami charakteryzującymi sieć przestrzenną są:

• liczba koordynacyjna (l_k) liczba najbliższych i równoodległych atomów od dowolnego atomu sieci.

• liczba atomów (l_a) przypadająca na komórkę zasadniczą. jest to wielkość charakteryzująca w pewien sposób wielkość komórki zasadniczej.

• wypełnienie komórki zasadniczej (w) jest to stosunek objętości atomów do objętości komórki zasadniczej – gęstość atomowa struktury krystalicznej.

Laboratoria

Dany jest obiektyw o powiększeniu N_ob i liczba apertury A. Policzyć powiększenie użyteczne mikroskopu i dobrać powiększenie okularu. Powiększenie użyteczne 500~1000x.

P1.: N_ob=25x, A=0,5

P2.: N_ob=64x, A=0,8

Rozwiązanie:

P1.:

N_u = (500~1000)*A

N_u = 250~500

N_u = N_ob * N_ok

N_ok = N_u/N_ob

N_ok = 10~20

P2.:

N_u = (500~1000)*A

N_u = 400~800

N_u = N_ob * N_ok

N_ok = N_u/N_ob

N_ok = 6,25~12,5

Wnioski:

Do zadań badań mikroskopowych należy dogłębne sprawdzanie powierzchni zgładu, co pozwoli nam określić stan zanieczyszczeń w materiale. Takie zapobieganie wadliwej produkcji może w przyszłości przynieść wiele zysków zarówno produkcyjnych, jak
i gwarancyjnych. Mała wadliwość produktów działa też pozytywnie na pobór klientów. Moim zdaniem dobra znajomość budowy wewnętrznej metali i możliwość rozpoznania nieścisłości może nam w przyszłości bardzo pomóc jako producentom, ale także jako klientom.