Badania makroskopowe
TD-I, L8		ocena

Badania makroskopowe polegają na obserwacji badanej powierzchni okiem nieuzbrojonym lub nieznacznie powiększonej. Są przeprowadzane na wytrawionych powierzchniach próbek oraz na powierzchniach przekrojów lub przełomów (złomów) elementów maszyn. Badania makroskopowe dostarczają informacji o budowie makrostrukturalnej, o wadach materiału oraz o wpływie procesów metalurgicznych i zabiegów technologicznych na strukturę. Umożliwiają ocenie poprawności doboru warunków przeróbki plastycznej, obróbki cieplnej i inny procesów technologicznych (np. spawania).

W wyniku badań makroskopowych można określić:

• niejednorodność składu chemicznego,

• występowanie i rozmieszczenie wtrąceń niemetalicznych,

• strukturę pierwotną, układ struktury włóknistej i kierunek płynięcia plastycznego,

• niejednorodność struktury powstałą wskutek odkształcenia plastycznego (kucie, walcowanie) lub oddziaływania wysokiej temperatury (spawanie, zgrzewanie),

• występowanie nieciągłości materiału (pory, rzadzizny, jamy skurczowe, pęcherze, pęknięcia, zawalcowania),

• charakter przełomu.

Prawidłowa interpretacja wyników badań makroskopowych umożliwia ocenę jakości materiału, poprawności stosowanych zabiegów technologicznych oraz przyczyn zaistniałych awarii w pracy maszyn i urządzeń. Często jednak konieczne staje się uzupełnianie tych badań pomiarami właściwości mechanicz­nych, fizycznych, składu chemicznego i badanie mikrostruktury.

Próba niebieskiego przełomu

Próba niebieskiego przełomu jest najczęściej stosowana dla stali konstruk­cyjnych węglowych i stopowych przerobionych plastycznie. Celem przeprowa­dzonej próby jest ujawnienie wewnętrznych wad materiału w postaci pozostało­ści jamy usadowej, pęknięć wewnętrznych, segregacji dendrytycznej, wtrąceń niemetalicznych i pęcherzy gazowych.

Badanie przeprowadza się na próbce wysokości H = 20-40 mm z ostrym karbem naciętym w płaszczyźnie przechodzącej przez oś przedmiotu (rys. 1). Sposób przygotowania próbki powinien zapewnić otrzymanie przełomu równo­ległego do kierunku największego odkształcenia podczas przeróbki plastycznej, to jest do kierunku włókien. Próbkę nagrzewa się do temperatury wyższej o 100-150°C od temperatury niebieskiego nalotu i następnie chłodzi w powie­trzu. Na powierzchni próbki wykonuje się pilnikiem nacięcia i obserwuje poja­wiające się na nich barwy nalotowe. Próbkę łamie się w momencie, gdy tlenki pokrywające rysę uzyskają barwę niebieską (ok. 300°C). Po ostygnięciu próbki obserwacji poddaje się powierzchnię przełomu. W ten sposób można określić występowanie wtrąceń niemetalicznych (jaśniejsze od tła), ślady jamy usado­wej, płatków oraz charakter przełomu.

Próba przełomu metali nieżelaznych

Jest przeprowadzana w celu określenia rodzajów przełomów oraz wykryci wad makroskopowych na powierzchniach przełomów prętów, rur, kształtowników i drutów wykonanych ze stopów metali nieżelaznych.

Stosuje się metodę ruchową w celu pobieżnego określenia rodzaju przełomu oraz występujących wad lub metodę kwalifikacyjną, która pozwala na bliższe rozpoznanie wady ujawnionej w wyniku wcześniejszego badania metodą ruchowa. Metoda kwalifikacyjna może być przeprowadzona tylko w odniesieniu do prętów z użyciem dwóch prób przełomu - prostopadle i równolegle do osi pręta.

Łamie się próbki z gotowych wyrobów lub półwyrobów z karbem naciętym zgodnie z wymaganiami normy.

Ocenie poddaje się powierzchnię przełomu, określając jego charakter wg, następującego kryterium podziału: ziarnisty, włóknisty, mieszany, drzewiasty lub muszlowy. Ponadto można obserwować wady w postaci nieciągłości, rzadzizn, porowatości, wtrąceń niemetalicznych, pęknięć, rozwarstwień oraz wy-stępowania naskórka, czyli cienkiej warstwy przy powierzchni nie związanej trwale z resztą materiału.

Próba toczenia lub strugania schodkowego

Próba jest stosowana w celu wykrycia i oceny liczby oraz rozmiarów nie­ciągłości materiału wewnątrz półwyrobów przerabianych plastycznie: prętów i rur grubościennych. W przypadku próbek o przekroju okrągłym stosuje się toczenie (rys. 2), natomiast dla pozostałych - struganie schodkowe odsłaniając materiał na różnych głębokościach. Na tak wykonanych próbkach dokonuje się obserwacji świeżo obrobionych powierzchni okiem nieuzbrojonym lub przy 5-krotnym powiększeniu. Ocenia się liczbę nieciągłości na poszczególnych głębokościach (schodkach) oraz ich długość.

Wykrywanie zanieczyszczeń siarką

Badanie pozwala na ujawnienie rozmieszczenia wtrąceń siarczkowych o różnym składzie chemicznym w półwyrobach i wyrobach ze stali, staliwa żeliwa (próba Baumanna). Wykrywanie siarki przeprowadza się na całym prze­kroju poprzecznym lub podłużnym badanego elementu.

Badaną powierzchnię należy zeszlifować drobnym papierem ściernym oraz przemyć strumieniem wody i następnie odtłuścić. Do tak przygotowanej powierzchni przykłada się papier fotograficzny bromosrebrowy zwilżony roztworem wodnym H2SO4. Papier dociska się do badanej powierzchni celem usunię­cia pęcherzy powietrza. Czas przeprowadzania próby wynosi od kilkunastu sekund do kilku minut zależnie od składu chemicznego badanego materiału i typu nieregularności makrostruktury. Po upływie wymaganego czasu papier płucze się w wodzie, a następnie utrwala i ponownie płucze.

Wykrywanie rozmieszczenia siarki na przekroju próbki polega na reakcji chemicznej pomiędzy siarką występującą w materiale (w postaci siarczków MnS i FeS) a odczynnikiem Baumanna oraz papierem bromosrebrowym.

Ciemnobrunatny siarczek srebra Ag₂S powstaje w miejscach, gdzie ns przekroju próbki występowały siarczki, odwzorowując zarazem rozmiary ] kształt wydzieleń siarczków w materiale.

Na podstawie przeprowadzonej obserwacji rozmieszczenia zanieczyszczeń można wyciągać wnioski dotyczące uprzedniej przeróbki plastycznej stali, gdyż plastyczne siarczki MnS odkształcając się, odwzorowują sposób płynięcia materiału. Ponadto metoda ta pozwala także na stwierdzenie występowania jamy usadowej, pęcherzy oraz skupisk fosforu (jasnożółte plamy na emulsji fotograficznej).

Wykrywanie zanieczyszczeń fosforem

W procesie krzepnięcia fosfor jest wypierany do granic kryształów pierwotnych i zajmuje miejsce w przestrzeniach międzyosiowych dendrytów. Roz-mieszczenie fosforu nie ulega większym zmianom nawet podczas wyżarzani) ujednorodniającego, dlatego ujawniając rozmieszczenie wydzieleń fosforu, można określić kształt i rozmiary ziarn mikrostruktury pierwotnej, a w przypał ku wyrobów poddawanych uprzednio przeróbce plastycznej - stopień odkształcenia plastycznego. Wykrywanie obecności fosforu prowadzi się stosując odczynniki Heyn Anczyca lub Oberhoffera

Próbki do badań przygotowuje się przez przecięcie badanego elementu, ta aby po trawieniu uzyskać obraz rozmieszczenia fosforu na całej powierzchni przekroju. Podczas badania próbkę zanurza się w odczynniku i wytrzymuje przez 1-5 min, po czym spłukuje wodą i przeciera watą nasączoną 5% roztworem amoniaku, aby usunąć osadzoną warstwę miedzi. Miejsca bogate w fosfor ulegają zaciemnieniu (w przypadku stosowania odczynników Heyna i Anczyca) lub pozostają jasne, niewytrawione (w przypadku stosowania odczynnika Oberhoffera).

Próba głębokiego trawienia

Badanie ma na celu ujawnienie wad materiałowych stanowiących niecią­głości materiału oraz uwidocznienie przebiegu włókien po kuciu lub walcowa­niu. Próbki do badań przygotowuje się analogicznie jak w przypadku wykrywa­nia fosforu (punkt 2.5). Stosowane odczynniki działają bardzo energicz­ne i uzyskuje się wyolbrzymione obrazy wad, co ułatwia ich wykrycie. Na Podstawie ujawnionego przebiegu włókien można stwierdzić, czy badany ele­ment podlegał przeróbce plastycznej oraz czy układ włókien jest korzystny ze względu na sposób jego obciążenia.

Próba głębokiego trawienia jest najczęściej przeprowadzana w temperatu­rze 60-100°C przez okres 1-24 h.

Próba określenia skłonności stali do starzenia

Starzenie stali jest procesem niekorzystnie wpływającym na jej właściwości mechaniczne. Następuje zwiększenie kruchości materiału i skłonności d pękania. Proces starzenia stali jest związany z wydzielaniem się azotków i cementytu trzeciorzędowego.

Próbę skłonności stali do starzenia przeprowadza się na materiale zestarzonym lub nowo wytworzonym. W tym drugim przypadku próbkę poddaje się działaniu naprężeń większych od granicy plastyczności materiału i następnie nagrzewa do temperatury 300^CC. Na tak przygotowanej próbce wykonuje się zgład, który jest trawiony odczynnikiem Fry-makro. Gdy na powierzchni zgładu ujawnią się charakterystyczne ciemne pasma przecinające się pod kątem 45° (linie sił Ludersa- Czernowa), wówczas badana stal jest skłonna do sra-rżenia.

Stal nie starzejąca jest to stal, która nie zawiera azotu lub jest uspokojona aluminium (azot jest związany w postaci azotku A1N). Stal ta po próbie trawienia odczynnikiem Fry-makro nie wykazuje obecności licznych pasm na p0-wierzchni zgładu.

Badania połączeń spawanych i zgrzewanych

Podstawowymi metodami badania połączeń spawanych i zgrzewanych są metody nieniszczące, często jednak występuje konieczność przeprowadzenia oględzin przekroju poprzecznego spoiny lub złącza zgrzewanego.

Wyciętą próbkę spoiny szlifuje się na drobnoziarnistych papierach ściernych i następnie powierzchnię zgładu przeciera się watą nasączoną odczynnikiem Adlera (3 g chlorku miedziowo-amonowego, 25 ml wody destylowanej 50 cm³ kwasu solnego, 15 g chlorku żelazowego).

Po ujawnieniu się obrazu spoiny zgład należy przepłukać w wodzie i następnie osuszyć. Ujawniają się wady w postaci pęcherzy, wtrąceń nie-metalicznych lub braku przetopu. Ponadto można określić strefę wpływu ciepła, której rozmiary i kształt świadczą o poprawnym doborze warunków spawania.