Mechanika i budowa maszyn

grupa: L1

Jan Wyduba

Sprawozdanie nr 2

Badania makroskopowe. Badania mikroskopowe.

Budowa krystaliczna i budowa stopów dwuskładnikowych.

Badania makroskopowe polegają na obserwacji powierzchni detalu okiem nieuzbrojonym lub przy niewielkim powiększeniu w celu wykrycia wad wewnętrznych, na przekroju poprzecznym próbki, takich jak: pęknięcia, zawalcowania, jamy skurczowe, pęcherze podskórne i wiele innych nieciągłości, które mają negatywny wpływ na właściwości mechaniczne wyrobu. Obserwowana powierzchnia może być naturalna lub specjalnie przygotowana (szlifowanie, trawienie) w zależności, jak bardzo zależy nam na dokładności obserwacji. To badanie pozwala także w pewnym stopniu stwierdzić wielkość takich parametrów, jak: zanieczyszczenie siarką lub fosforem, wielkość ziarn strukturalnych, głębokość zahartowania, charakter pękania itp.

Charakter badań makroskopowych wychodzi z założenia, że wszelkie wewnętrzne zanieczyszczenia i wady są możliwe do wykrycia w przekroju poprzecznym badanej próbki. Jedną z metod badawczych jest próba niebieskiego przełomu. Powierzchnię przełomu należy odpowiednio przygotować, a następnie grzejemy ją do 400˚C, po czym chłodzimy do 300˚C. Przy tej temperaturze powierzchnię pokrywa niebieski nalot, na którym wszelkie nieciągłości ujawniają się w postaci jasnych plam.

W badaniach makroskopowych wyróżniamy 3 podstawowe próby:

• Adlera

• Baumanna

• przy użyciu odczynnika Heyna, Anczyca lub Oberhoffera.

Próba Adlera jest wykorzystywana przy sprawdzaniu połączeń spawanych. Na odpowiednio przygotowaną próbkę z fragmentem spoiny nakładamy odczynnik Adlera
[3g (NH­₄)₂(CuCl₄) + 20 ml wody destylowanej + 50 ml HCl + 15g FeCl₃], która w wyniku trawienia przez ten odczynnik ukazuje kształt tej spoiny oraz strefę wpływu ciepła.

Próba Baumanna służy do określania zawartości siarki w przekroju próbki, która jest szkodliwa w metalach powodując ich kruchość. Zawartość siarki w metalu nie może przekraczać 0,05%.

Obecność fosforu w przekroju wykrywamy za pomocą jednego z trzech odczynników: Heyna, Anczyca lub Oberhoffera. Specjalnie przygotowaną i wytrawioną powierzchnię próbki zanurzamy na około 1-5 minut w odczynniku. Po upływie tego czasu próbkę płuczemy wodą
i przecieramy watą nasączoną 5% roztworem amoniaku. W zależności od tego, jakiego użyliśmy odczynnika, miejsca bogate w fosfor będą ciemniejsze (odczynnik Heyna i Anczyca) lub pozostaną niewytrawione o jasnej barwie (odczynnik Oberhoffera).

Innym badaniem makroskopowym jest próba skłonności stali do starzenia. Proces starzenia jest niekorzystny, gdyż powoduje on kruchość materiału i może łatwo pękać. Próbę przeprowadza się na materiale zestarzonym lub nowym. W drugim przypadku badaną próbkę poddaje się działaniu naprężeń przekraczających granicę plastyczności,
a następnie nagrzewa do 300˚C. Na takiej próbie wykonujemy zgład, który trawimy. Jeżeli na powierzchni ujrzymy ciemne pasma pod kątem 45˚ (linie sił Ludersa-Czernowa) jest to oznaka, że badany materiał posiada skłonności do starzenia.

Efekt zmęczenia materiału.

Badania mikroskopowe najczęściej wykonywane są za pomocą mikroskopu optycznego stosującego powiększenie 20-1800 razy. Mikroskop metalurgiczny różni się od innych budową, gdyż działa na zasadzie światła odbitego a nie przechodzącego przez próbkę. Powodem takiej budowy jest to, że próbka metaliczna, choćby najcieńsza, nie przepuszcza przez swoją strukturę światła białego. Próbkę należy szlifować i polerować do stanu lustrzanego połysku. Tak przygotowany kawałek metalu nazywamy szlifem lub zgładem metalograficznym.

Manualne szlifowanie i polerowanie powoduje zniekształcenia tak cienkiej próbki, co znacząco utrudnia lub wręcz uniemożliwia jej obserwację, dlatego też często stosuje się polerowanie elektrolityczne. Przy odpowiednio dobranych parametrach w ciągu kilkudziesięciu sekund otrzymamy próbkę bez zniekształceń strukturalnych. Dla lepszego efektu i zwiększenia czytelności próbki można ją wytrawić, co uwydatnia granice ziarn
w postaci ciemnych linii. W zależności od gatunku szlifu stosowane odczynniki trawiące mają odmienny skład chemiczny. Cała gama odczynników z podziałem na gatunek materiału trawionego można znaleźć w polskich normach: PN-65/H-04503 i PN-75/H-04512.

Kryształ jest ciałem stałym, którego atomy układają się w równych odstępach od siebie we wszystkich trzech wymiarach przestrzennych. Kryształy są zbudowane z komórek elementarnych i w zależności od ich rodzaju mogą tworzyć różne układy krystalograficzne. Możemy rozróżnić dwa rodzaje kryształów: monokryształy i polikryształy. Podstawowymi wielkościami charakteryzującymi sieć przestrzenną kryształu są:

• liczba koordynacyjna (l. k.) ilość najbliższych sąsiednich i równoodległych atomów od dowolnego atomu w krysztale.

• liczba atomów (l. a.) charakteryzuje w pewien sposób wielkość komórki zasadniczej.

• wypełnienie komórki zasadniczej (w.) stosunek objętości atomów do objętości komórki zasadniczej.

Współrzędne węzła sieciowego określają parametry sieci- a, b i c odpowiednio dla osi
x, y i z. Pozycje atomów centrujących podje się w ułamkach. Kierunek krystalograficzny opisują współrzędne węzła najbliższego od początku układu, przez który przechodzi prosta równoległa do analizowanego kierunku. Wskaźniki kierunku krystalograficznego podaje się
w nawiasach kwadratowych [u, v, w], np. [1, 1, 1]. Jeżeli któraś z wartości przyjmuje znak ujemny, to symbol „ – ‘‘ umieszczamy nad liczbą, np. [1, $\overset{\overline{}}{1}$, 1].

Kolejnym parametrem kryształu jest wskaźnik Millera. Za jego pomocą opisujemy położenie płaszczyzn i kierunków w przestrzeni krystalicznej. Płaszczyzna sieciowa odcina na osiach współrzędnych odcinki równe długościami do stałych sieciowych. Wskaźnik Millera płaszczyzny [h k l] jest odwrotnością tych odcinków. Jeżeli ta odwrotność ma postać ułamkową, to mnożymy je przez najmniejsza wspólną wielokrotność i sprowadzamy do całości. Jeżeli zaś płaszczyzna jest równoległa do jakiejś osi, czyli wartość odcięta na osi jest w nieskończoności, to odwrotność jest równa 0.

Stop to tworzywo metaliczne, w którego skład wchodzi przynajmniej jeden pierwiastek metaliczny zwany osnową i pierwiastki stopowe, którymi mogą być niemetale. Strukturę stopu można podzielić na:

• Jednorodną – roztwory stałe, stanowiące mieszaninę atomów.

• Złożoną z wielu faz – tworzą ją składniki mikrostruktury, które mogą występować samodzielnie lub w formie zbiory faz.

Pierwiastki tworzące stopy dwuskładnikowe mogą wykazywać:

• Wzajemną nieograniczoną rozpuszczalność w stanie ciekłym, a w stanie stałym:

  • nieograniczoną rozpuszczalność

  • ograniczoną rozpuszczalność

  • brak rozpuszczalności

• Wzajemną ograniczoną rozpuszczalność w stanie ciekłym, a w stanie stałym:

  • ograniczoną rozpuszczalność

  • brak rozpuszczalności

• Wzajemny brak rozpuszczalności zarówno w stanie ciekłym jak i stałym.

Struktura wewnętrzna stopów tworzy:

• Jeden roztwór stały

• Mieszaninę ziarn czystych pierwiastków

• Mieszaninę kryształów roztworów stałych granicznych

• Mieszaninę kryształów roztworu stałego oraz kryształów związków chemicznych lub faz międzymetalicznych.

Próba Baumanna

Próba Baumanna służy do wykrywania siarki w przekroju poprzecznym próbki. Przebieg badania jest następujący:

1. Pobranie próbki i przygotowanie powierzchni badanej za pomocą papiery ściernego, a następnie przemycie alkoholem i osuszenie sprężonym powietrzem.

1. Kładziemy i dociskamy próbkę do papieru fotograficznego bromosrebrzanego zwilżonego wodnym roztworem kwasu H₂SO₄. Utrzymujemy próbkę nieruchomo od kilkunastu sekund do kilku minut.

1. Po zdjęciu próbki z papieru odcisk należy spłukać w wodzie, utrwalaczu i znowu
   w wodzie. Tak przygotowany obraz zanieczyszczeń można analizować celem stwierdzenia, czy dany materiał nadaje się do produkcji.

Wnioski:

Badania makroskopowe są bardzo użyteczne, gdyż dzięki tej metodzie możemy w porę zauważyć powierzchowne wady struktury i niepożądane domieszki w materiałach, co przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa pracy z detalami wykonanymi z danych próbek. Jest to także równoczesna oszczędność pieniędzy i czasu pracy. Badania makroskopowe są pomocne i zarazem proste w wykonaniu, co pozwala na częste i skuteczne wykorzystanie go w produkcji.