Sprawozdania materialoznastwo, badania metalograficzne, Ćwiczenie nr 3

Ćwiczenie nr 3.

Badania makroskopowe.

Badania nieniszczące.

Badania makroskopowe.

Definicja i cel badań makroskopowych.

Badania metalograficzne łącznie z innymi sposobami badania metali, jak analiza składu chemicznego, badania rentgenograficzne, badania własności mechanicznych itd. , pozwalają przewidzieć zachowanie się metali i stopów metali w warunkach praktycznego ich stosowania. Na podstawie tych badań można dokonać zarówno soboru najwłaściwszego do danego celu materiału konstrukcyjnego, jak i sprawdzić i korygować takie procesy technologiczne jak obróbka cieplna, przeróbka plastyczna, czy spawanie. Istotną rolę badania metalograficzne spełniają w kontroli jakości gotowych wyrobów przemysłowych. Ogólnie badania metalograficzne dzieli się na badania makroskopowe i badania mikroskopowe.

Badania makroskopowe przeprowadza się nieuzbrojonym okiem lub pod niewielkimi powiększeniami, zwykle nie przekraczającymi 30 x . Badania te przeprowadza się, bądź bezpośrednio na powierzchni wyrobu (np. na odlewach, odkuwkach), bądź na przełomach lub specjalnie przygotowanych przekrojach (zwanych zgładami) badanego elementu.

Badania makroskopowe pozwalają określić :

wady materiałowe, jak na przykład pęcherze gazowe, zażużlenia, jamy skurczowe, rzadzizny, czy pęknięcia w wyrobach odlewanych, obrabianych cieplnie lub spawanych,
budowę metali i ich stopów, a więc ,wielkość, kształt i rozmieszczenie poszczególnych krystalitów (jeśli nie są one zbyt małe), a także ewentualną likwacją spowodowaną procesem krzepnięcia,
niejednorodność budowy materiału wywołaną bądź przeróbką plastyczną ( włóknistość, linie zgniotu) bądź obróbką cieplną lub cieplno - chemiczną ,
jakość połączeń spawanych, zgrzewanych i lutowanych.

Badania wygładzonej powierzchni przekrojów.

Pobieranie i przygotowanie próbek do badań makroskopowych.

Do badań makroskopowych stosuje się próbki różnej wielkości, zależnie od wymiarów badanego przedmiotu. Małe przedmioty bada się przeważnie w całości, z dużych wycina się jedną lub kilka próbek w ten sposób by były one możliwe reprezentatywne dla całego elementu. Istotną rzeczą jest właściwe określenie powierzchni przeznaczonej do badania. Tak np. przedmioty odlewane bada się na przekrojach prostopadłych do powierzchni. Przedmioty kute, walcowane, obrabiane cieplnie bada się na przekrojach poprz4ecznych i podłużnych.

Pobieranie próbek wymaga dużej staranności i uwagi, gdyż cięcie materiału może lokalnie zmienić jego strukturę, co z kolei może prowadzić później do wyciągnięcia fałszywych wniosków z przeprowadzonych badań. Cięcie wykonuje się najczęściej palnikiem acetylenowo - tlenowym, za pomocą piły mechanicznej lub przecinarki ściernicowej. Lokalne przegrzanie materiału występuje najwyraźniej przy cięciu palnikiem, natomiast przy innych wymienionych sposobach cięcia może być zmniejszone przez użycie chłodziw.

Odcinanie próbek za pomocą palnika acetylenowo - tlenowego jest stosowane na ogół przy większych przedmiotach. W celu uniknięcia wpływu nagrzania materiału przewiduje się naddatki, usuwane następnie za pomocą obróbki skrawaniem. Wielkość naddatków zależy od rodzaju palnika, grubości przecinanego materiału, jego składu chemicznego i stanu nadanego ostatnią obróbką cieplną. W praktyce wielkość naddatków ustala się doświadczalnie, przy czym istotną jest tu znajomość procesów obróbki cieplnej, jakim podlegał badany materiał. I tak np. dla próbek stalowych hartowanych należy przewidzieć istotnie większe naddatki niż dla wyżarzonych.

Przy pobieraniu próbek może nastąpić także miejscowe odkształcenie plastyczne, co również może prowadzić do wyciągania fałszywych wniosków w późniejszych badaniach.

Po odcięciu próbki usuwa się naddatek i wyrównuje powierzchnię przekroju przy pomocy obróbki skrawaniem. Tak przygotowaną powierzchnię można od razu poddać obserwacji, czy też trawieniu odpowiednim odczynnikiem. Często obserwacje lub trawienie poprzedza szlifowanie powierzchni próbki papierem ściernym o coraz drobniejszym ziarnie. Przed trawieniem powierzchnia próbki powinna być dokładnie umyta wodą i odtłuszczona spirytusem.

Trawienie próbek i rodzaje stosowanych odczynników

Małe próbki do badań makroskopowych trawi się w wanienkach, układając je powierzchnią badaną do góry lub na bok. Odczynnik trawiący powinien pokrywać całkowicie próbki. Próbki duże oblepia się papierem woskowym, tworząc na ich powierzchni rodzaj wanienki, do której wlewa się odczynnik. Po wytrawieniu przemywa się próbkę w bieżącej wodzie i suszy strumieniem powietrza.

Bardzo dobre wyniki dają obserwacje prowadzone bezpośrednio po wypłukaniu w wodzie ( „na mokro”). Uwaga ta dotyczy szczególnie fotografowania. Fotografie wytrawionych powierzchni wykonane „na mokro” są kontrastowe i przedstawiają powierzchnię badaną ze wszystkimi szczegółami makrostruktury, bez plam i zacieków. Fotografie „na mokro” wykonuje się umieszczając próbkę badaną w wanience wypełnionej wodą, tak, by powierzchnia fotografowana znajdowała się nieco poniżej poziomu wody.

Odczynniki do badań makroskopowych są zwykle roztworami kwasów nieorganicznych lub soli i ze względu na przeznaczenie dzieli się je na dwie grupy:

odczynniki do głębokiego trawienia
odczynniki do powierzchniowego trawienia.

Odczynniki do głębokiego trawienia są wodnymi roztworami jednego lub kilku kwasów i działają silnie korodująco na powierzchnię metalu . działanie to jest jednak szybsze w miejscach gdzie występują jakiekolwiek nieciągłości, a więc pory, zażużlenia, pęknięcia, czy rzadzizny. Podobnie silniej wytrawiają się miejsca niejednorodne pod względem struktury i składu chemicznego, dzięki czemu uwidaczniają się osie dendrytów, włóknistość w przedmiotach walcowych, warstwy zahartowane, spoiny itd. Często dla przyspieszenia wytrawiania stosuje się podgrzewanie odczynnika do 60 - 95 °.

Odczynniki do powierzchniowego trawienia są najczęściej odczynnikami miedziowymi, tzn. zawierającymi sole miedzi. Skład chemiczny i zastosowanie ważniejszych odczynników do badania makrostruktury stopów żelaza podano w tabeli 1.

Niektóre odczynniki do badania makrostruktury stopów żelaza wg PN-61/H-04502.

Przeznaczenie odczynnika	Zastosowanie odczynnika	odczynnik		Działanie	Sposób trawienia
						Symbol (nazwa)	Zalecany skład chemiczny
		Do głębokiego trawienia	Ujawnia nieciągłości materiału, wtrącenia niemetaliczne oraz układ włókien stopów żelaza przerabianych plastycznie			Ma 4 Fe odczynnik do głębokiego trawienia	100 ml. HCL cz.d.a(1,19) 100 ml .H₂O (dest).	Korodujące - wyżera wtrącenia niemetaliczne, silnie atakuje brzegi nieciągłości materiału	Zazwyczaj wystarcza zgrubna obróbka mechaniczna badanych powierzchni. Trawić pod wyciągiem w temp. 60 - 70 °C
						Ma 5 Fe odczynnik Jacewicza	38 ml. HCL (1,19) 12 ml. H₂SO₄ (1,83) 50 ml. H₂O (dest).
Do powierzchniowego trawienia	Ujawnia segregacje fosforu i węgla oraz w pewnej mierze strukturę pierwotną	Ma 1 Fe odczynnik Heyna	10 g CuCl₂ 2NH₄CL 2H₂O 100 ml. H₂O (dest).	Elektrolityczne - żelazo ulega rozpuszczeniu, miedź osadza się na powierzchni zgładu. Miejsca bogatsze w fosfor barwią się na brunatno, bogatsze zaś w węgiel - na ciemno lub szaro.	Szlifowanie próbki zakończyć papierem ściernym średniej grubości ziarna. Osadzająca się podczas trawienia na powierzchni próbki warstwę miedzi spłukać strumieniem wody, przecierając zgład watą. Czas trawienia 0,5 - 5 minut. Gdy powierzchnia zgładu jest zbyt gładka, warstwa miedzi przylega bardzo mocno. Usunięcie miedzi przyśpiesza zmywanie zgładu wodnym roztworem amoniaku o składzie 3 cz. Obj. NH₄OH (0,91) + 2 cz. Obj. H₂O.
	Ujawnia segregację fosforu i strukturę pierwotną	Ma 2 Fe odczynnik Oberhoffera	500 ml. H₂O (dest) 500 ml. C₂H₅OH 0,5 g CuCl₂ 0,5 g SnCl₂ 30 g FeCl₃ 50 ml. HCL (1,19)	Miejsca wolne od fosforu ulegają wytrawieniu i ciemnieją, zacierające zaś fosfor pozostają nienaruszone - błyszczące	Próbkę bardzo gładko wyszlifować lub wypolerować. Dla uzyskania dobrego trawienia kwas solny dodaje się na końcu. Czas trawienia - kilka sekund do 2 minut. Warstwę miedzi usuwa się ze zgładu jak dla Ma 1 Fe
	Ujawnia rozmieszczenie siarki i częściowo fosforu Uwaga : może być wykorzystywany również do głębokiego trawienia (Ma7Fe wg PN-61/H-01502)	Na 3 Fe odczynnik Baumana	5 ml. H₂SO₄ (1,84) 100 ml. H₂O (dest)	Za pośrednictwem kwasu siarkowego wtrącenia siarczków żelaza i manganu wywołują reakcję bromku srebra na papierze fotograficznym na brązowy siarczek srebra. Fozforki8 pozostawiają na papierze plamy jaśniejsze od siarczków	Szlifowanie próbki zakończyć na papierze ściernym średniej grubości ziarna. Fotograficzny papier bromo - srebrowy moczyć w odczynniku przez 2 -5 minut następnie suszyć bibułą, położyć na zgład i przycisnąć wałkiem gumowym. Po 1 - 2 minutach (niekiedy po 15 minutach) papier zdjąć utrwalić w obojętnym utrwalaczu fotograficznym przez 10 - 20 minut przemyć wodą i suszyć. Próbę należy wykonać w temp. 17 - 20 °C
	Ujawnia miejscowe odkształcenia plastyczne w stalach węglowych zwierających azot, z wyjątkiem stali nie starzejących się.	Ma 8 Fe odczynnik Fry	120 ml. HCL (1,19) 20 g CuCL₂ 100 ml. H₂O (dest)	Atakuje strefy w których została przekroczona granica plastyczności ujawniając je w postaci tzw. linii działania sił.	Przed wykonaniem zgładu zaleca się podgrzewać próbkę do temp. 150 -300 °C i wytrzymać ją w tej temp. w ciągu 1 godziny. Wypolerowany zgład trawić w odczynniku w ciągu 1 - 3 minut, pocierając watą, często zanurzając w odczynniku i sproszkowanym chlorku miedziowym. Ujawnienie się „linii działania sił” następuje zazwyczaj po upływie około 20 minut. Z tą chwilą zgład spłukać najpierw 50 % roztworem kwasu solnego (1,19) następnie wodą i suszyć strumieniem ciepłego powietrza.
	Ujawnia grubość warstwy nawęglonej	Ma 14 Fe	5 -10 ml. HNO₃ (1,42) 90 -95 ml. C₂H₅OH	Warstwa nawęglona barwi się na ciemno	Próbkę należy oszlifować na papierze ściernym średniej grubości ziarna. Trawić w temp. pokojowej. Po trawieniu próbkę przepłukać spirytusem z dodatkiem kwasu solnego, przemyć wodę, po czym suszyć.
		Ujawnia grubość warstwy odwęglonej	Ma 15 Fe		Warstwa odwęglona pozostaje jasna	Próbkę wypolerowaną, trawić, płukać i suszyć jak dla Ma 14 Fe
		Wykrywa grubość warstwy zahartowanej	Ma 16 Fe		Warstwa zahartowana barwi się na kolor ciemny, nie zahartowana na znacznie jaśniejszy	Próbkę szlifować na papierze ściernym średniej grubości ziarna. Trawić, płukać i suszyć jak dla Ma 14 Fe.

2.3. Przeprowadzenie badań

2.3.1. Ujawnienie nieciągłości w materiale.

Wady naruszające spójność materiału, takie jak pęcherze gazowe, pory i jamy skurczowe, rzadzizny, zawalcowania, pęknięcia, są widoczne często na powierzchni zgładu bez specjalnego przygotowania. Nieciągłości mało widoczne lub niewidoczne ujawnia się trawiąc powierzchnię zgładu odczynnikiem do głębokiego trawienia. Odczynniki te są zwykle roztworami jednego lub kilku kwasów i działają korodująco na powierzchnię zgładu. Działanie to jest jednak niejednakowe i przebiega szybciej w miejscach występowania por, pęknięć i rzadzizn materiałowych, a więc w miejscach o większej powierzchni.

Na fot. 1 przedstawiony jest przekrój korpusu zaworu. Po trawieniu pojawiły się wady wewnętrzne w postaci rzadzizn oraz zewnętrzne w postaci nakłuć i rakowatości. Trawienie ujawniło, także dendrytyczną strukturę pierwotną, która szczególnie dobrze jest widoczna na fot. 2.

Na fot. 3 przedstawiony jest przekrój poprzeczny wału ze stali 2H13. Po trawieniu ujawniła się rzadzizna środkowa i ogólna.

W tym przypadku jest to głównie skutek wyżarcia wtrąceń niemetalicznych przez odczynnik trawiący .

2.3.2. Ujawnienie struktury pierwotnej.

Pojęcie struktury pierwotnej jest umowne; przyjmuje się, że powstaje ona w wyniku fizykochemicznego procesu krzepnięcia. Struktura odlewu, podobnie jak i struktura stalowego wlewka dzieli się na kilka stref, powstałych w wyniku różnych warunków krystalizacji. Każda strefa ma inną wielkość o kształt ziarn oraz ilość zanieczyszczeń. W obrębie każdego ziarna pierwotnego występuje segregacja składu chemicznego proporcjonalna do różnicy temperatur między likwidusem a solidusem. Przy krzepnięciu ferrytu α(δ) lub austenitu osie dendrytów są bogatsze w żelazo, a części stopu krzepnące później zawierają więcej fosforu i węgla. Segregacja ta tylko częściowo zanika podczas stygnięcia zakrzepłej stali, kiedy ziarna pierwotne ferrytu α(δ) lub austenitu przechodzą przemiany alotropowe. Szczególnie trudna do usunięcia jest niejednorodność rozmieszczenia fosforu, wobec utrudnionej dyfuzji tego pierwiastka.

W praktyce zachodzi niekiedy konieczność określenia, czy element konstrukcyjny jest wykonany ze stali czy też staliwa. Można to łatwo określi po wytrawieniu zgładu selektywnie działającymi odczynnikami Heyna lub Oberhoffera, które ujawniają miejsca o obniżonej zawartości fosforu i tym samym uwidaczniają kształt, wielkość i układ ziarn pierwotnych a przez to i rodzaj struktury pierwotnej. Próbki staliwa mają strukturę dendrytyczną lub globulityczną, a próbki z materiału przerobionego plastycznie - strukturę pasmową. Na fot. 4 przedstawiono strukturę pierwotną (dolna część fotografii) odlewu ze staliwa węglowego (0,25 % C) ujawnioną odczynnikiem Oberhoffera. Ujawniona struktura pierwotna jest dendrytyczna. Miejsca bogate w żelazo (osie dendrytów) uległy wytrawieniu na kolor ciemny. Przestrzenie między dendrytyczne, bogate w fosfor, pozostały jasne. Dla porównania w górnej części fotografii 4 przedstawiono strukturę wtórną ujawnioną poprzez trawienie 10 % roztworem kwasu azotowego w alkoholu etylowym. Struktura wtórna jest ferrytyczno - perlityczna o układzie Widmannstattena. Na fot. 5 przedstawiono strukturę pierwotną odlewu ze staliwa węglowego (0,20 % C) ujawnioną odczynnikiem Oberhoffera i obserwowaną pod mikroskopem w polu ciemnym.

2.3.3. Ujawnienie likwacji (segregacji) siarki i fosforu.

Siarka w stali jest domieszką wybitnie szkodliwą i jej zawartość w stali nie może przekraczać 0,05 % . ponieważ rozpuszczalność siarki w żelazie jest bardzo mała, w stali występuje najczęściej w postaci roztworu FeS- MnS, ze znaczną przewagą MnS.

Główną przyczyną, dla której uważa się siarkę za pierwiastek szkodliwy, jest powodowana przez nią kruchość na gorąco. W stalach zawierających większe ilości siarki wydziela się na granicach pierwotnych ziarn austenitu siatka siarczków. Taka siatka wywołuje kruchość w dwu zakresach temperatur : 800 do 1000 °C - wskutek niedostatecznej plastyczności siarczków i powyżej 1200 °C - wskutek topienia się siarczków /temperatura topnienia FeS wynosi 1190 °C/. Efektem tych zjawisk jest zanik spójności między ziarnami. Przy normalnie spotykanych zawartościach siarki niższy zakres kruchości nie występuje. Niewystarczające odtlenienie rozszerza górny zakres kruchości ku niższym temperaturom, ponieważ może się tworzyć eutektyka potrójna Fe - FeS - FeO o jeszcze niższej temperaturze topnienia /ok. 940 °C/ niż eutektyka Fe - FeS /988 °C/. Podobnie jak niewystarczające odtlenienie wpływają pierwiastki stopowe, tworzące niskotopliwe siarczki: Ni, Co i Mo. Natomiast pierwiastki tworzące siarczki o wyższych temperaturach topnienia, jak: Mn, Cr, Ti i Zr, przeciwdziałają kruchości na gorąco, spowodowanej przez siarkę. Siarczki zawierające te pierwiastki nie tworzą ciągłej siatki na granicach ziarn, lecz pojedyncze wtrącenia, znacznie mniej szkodliwe. Niekorzystne rozmieszczenie siarczków na granicach ziarn można również częściowo usunąć poprzez dłuższe wygrzewanie w zakresie 1000-1100 °C, podczas którego zachodzi koagulacja wydzieleń.

Ujawnienie likwacji siarki /zanieczyszczeń siarczkowych/ przeprowadza się najczęściej przy pomocy próby Baumana. Papier fotograficzny moczy się w 2-5 % wodnym roztworze kwasu siarkowego przez kilka minut, osusza bibułą z nadmiaru kwasu, kładzie na zgład emulsją i przyciska wałkiem gumowym. Kwas siarkowy zawarty w papierze po zetknięciu się z próbką działa na zawarte w niej siarczki wg reakcji:

FeS + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂S

Lub

MnS + H₂SO₄ = MnSO₄ + H₂S

Wydzielający się siarkowodór reaguje następnie z bromkiem srebra papieru fotograficznego wg reakcji:

H₂S + 2AgBr = Ag₂S + 2HBr

Powodując powstanie na papierze zaciemnień siarczkiem srebra, wielkością i kształtem odpowiadającym skupieniom siarczków w stali.

Po upływie 1 do 2 minut papier zdejmuje się ze zgładu, płucze w wodzie, utrwala w utrwalaczu fotograficznym przez 10 minut, płucze w wodzie przez ok. 30 minut i suszy.

Należy podkreślić, że próbą Baumana nie można określić ilościowo zawartości siarki, a tylko jej rozmieszczenie w badanym materiale.

Na fot. 6 przedstawiono wynik przeprowadzonej próby Baumana złącza spawanego ze stali 10 H2M. W próbie tej zwraca uwagę brak wtrąceń siarczkowych w spoinie, co świadczy o wysokiej jakości materiałów spawalniczych użytych do spawania.

Fosfor podobnie jak siarka należy do domieszek niepożądanych. Rozpuszcza się w ferrycie, powodując wzrost jego twardości i obniżenie plastyczności. Poza tym, posiada istotną skłonność do segregacji. Segregacja fosforu jest jedną z głównych przyczyn występowania struktury pasmowej w wyrobach walcowanych. Poza tym, powoduje większą kruchość, niż można by przewidzieć z jego przeciętnej zawartości w stali.

Do ujawnienia rozmieszczenia fosforu używa się odczynnika Heyna lub Oberhoffera.

Skład chemiczny i sposób działania tych odczynników podano w tabeli 1, oraz częściowo w p. 2.3.2.

2.3.4. Ujawnienie włóknistości.

Podczas przeróbki plastycznej na gorąco przez kucie lub walcowanie, pierwotne ziarna zmieniają swój kształt stając się coraz bardziej wydłużone, aż w końcu pękają i rozdrabniają się tracąc swój dendrytyczny charakter. Niejednorodność składu chemicznego spowodowana dendrytycznym krzepnięciem zostaje również zniekształcona. Wtrącenia niemetaliczne - tlenki, krzemiany, siarczki, układają się w równoległe pasma, przy zachowaniu jednakże pierwotnego charakteru rozłożenia w przekroju poprzecznym wlewka. Prowadzi to do powstania tzw. struktury włóknistej na przekroju podłużnym. Budowa włóknista stali nadaje jej własności anizotropowe. Próbki wycięte wzdłuż włókien wykazują inne własności mechaniczne niż próbki wycięte w poprzek włókien. W elementach przerobionych plastycznie, narażonych podczas pracy na duże obciążenia włókna powinny przebiegać równolegle do powierzchni, w przeciwnym przypadku mogą stać się, przy niekorzystnym rozkładzie naprężeń, początkiem pęknięć.

Z tego też powodu, po przeróbce plastycznej pewien procent wyrobów poddaje się badaniom makroskopowym.

Przy ujawnieniu struktury włóknistej stosuje się zarówno odczynnik do ujawnienia struktury pierwotnej, jak i odczynniki do głębokiego trawienia.

Na fot. 7, 8 i 9 przedstawiono układ włókien w odkuwkach matrycowych.

2.3.5. Ujawnienie linii odkształceń / „w linii działania sił”/

Do ujawniania miejsc w stalach węglowych, w których przekroczona została granica plastyczności podczas przeróbki plastycznej na zimno stosuje się odczynnik Fry. Skład chemiczny tego odczynnika podano w tabeli 1. Odczynnik Fry atakuje silniej miejsca, w których nastąpiło przekroczenie granicy plastyczności zabarwiając je na ciemno. Przy dużych odkształceniach jest tak dużo linii odkształceń, że uwidaczniają się one jako ciemne plamy.

Na fot. 10 przedstawiono „linie działania sił” ujawnione odczynnikiem Fry w blaszce stalowej ściskanej w prasie cylindrycznej.

2.3.6. Ujawnianie niejednorodności struktury i składu chemicznego.

Niejednorodność struktury i składu chemicznego może być spowodowana przez zabiegi takie jak: obróbka cieplna, cieplno-chemiczna, miejscowy zgniot, itp. Niejednorodności te mogą być wykryte również na przełomie, jednakże na wytrawionym zgładzie zakresy o odmiennej strukturze są wyraźniej widoczne.

Głębokość warstwy nawęglonej, odwęglonej i zahartowanej ujawnia się w stali trawiąc zgłady 5-10 % alkoholowym roztworem kwasu azotowego.

Na fot. 11 przedstawiono odwęglenie warstw wierzchnich blachy kotła parowego.

Badania przełomów.

Badania makroskopowe przełomów stanowią ważny wskaźnik oceny materiału. Pozwalają one na przybliżone określenie wielkości, kształtu i ułożenia kryształów, przebiegu przełomu /przez ziarna, czy po granicach ziarn/, większych wtrąceń niemetalicznych, nieciągłości materiałowych, itp.

Przy stałej kontroli przełomów podczas obróbki cieplnej lub cieplno-chemicznej można wyciągnąć wnioski dotyczące prawidłowości parametrów samych procesów poprzez określenie grubości charakterystycznych stref i wielkości ziarn. Grubość warstwy zahartowanej jest łatwa do określenia na przełomie, wobec wyraźnej różnicy wielkości ziarn części nie zahartowanej i zahartowanej. Podobnie można określić grubość warstwy nawęglonej - po zahartowaniu warstwa ta ma bardziej drobnoziarnistą strukturę od nie nawęglonego rdzenia.

Wielkość ziarn na przełomie można określić przez porównanie ich z ziarnami przełomów wzorcowych. W Polsce przyjęto skalę wzorców zbliżoną do skali szwedzkiej Jernkontoret /PN-66/H-04507/.

Badanie przełomów zahartowanych próbek węglowych stali narzędziowych stanowi metodę oceny ich hartowności.

Na podstawie obserwacji przełomu można również wnioskować o przyczynie pęknięcia elementu konstrukcyjnego.

Próba przełomu niebieskiego. /PN-60/H-04509/

Celem próby jest ujawnienie wewnętrznych wad makroskopowych w stalach konstrukcyjnych węglowych i stopowych badanych w stanie przerobionym plastycznie.

Grubość przedmiotu, z którego pobiera się próbki, powinna wynosić co najmniej 40 mm. Próbki w kształcie płytek odcina się na zimno lub gorąco w ten sposób, aby obejmowały cały przekrój poprzeczny, a płaszczyzna przełomu była równoległa do kierunku największej przeróbki plastycznej, tj. do kierunku włókien. Na próbce nacina się ostry karb dla ułatwienia złamania. Karb należy wykonać w ten sposób, aby nie zmniejszyć zbytnio powierzchni przełomu przeznaczonego do obserwacji. Zaleca się aby grubość próbki w miejscu karbu wynosiła 18 do 25 mm. Karb powinien znajdować się w płaszczyźnie przechodzącej przez oś przedmiotu, z którego pobrano próbkę.

Sposób przygotowania i oznaczenia próbki podano na rys. 2.

Próbkę nagrzewa się do temperatury o 100-150 °C wyższej od temperatury niebieskiego nalotu. Po wyjęciu próbkę umieszcza się w imadle lub na prasie i nacina pilnikiem obserwując tworzące się barwy nalotowe, jakie powstają na rysie. W chwili gdy świeża rysa przybiera barwę niebieską, próbkę należy złamać i pozostawić na powietrzu do zupełnego ostygnięcia.

Przełom obserwuje się nieuzbrojonym okiem, oceniając występujące w nim wady zgodnie z PN-60/H-04509:

wtrącenia niemetaliczne - widoczne na tle zabarwionego na niebieski kolor przełomu jako jasne nitki. Ocenę stopnia zanieczyszczenia stali przeprowadza się przy pomocy zanieczyszczonych w normie wzorców rysunkowych i danych liczbowych, podając liczbę wtrąceń, długość, grubość, rozmieszczenie i ich kontrastowość względem tła
ślady jamy usadowej i ich nasilenie wg wzorców rysunkowych
wtrącenia szamotowe i ich rozmieszczenie wg wzorców rysunkowych
przełom kamienisty powstający wskutek przegrzania stali, po którym zastosowano nieznaczny stopień przeróbki plastycznej na gorąco. Wada ta dyskwalifikuje materiał niezależnie od jej nasilenia, dlatego nie stosuje się dokładniejszych określeń nasilenia, niezależnie od wielkości i rozmieszczenia ziarn kamienistych na przełomie
płatki - występujące na przełomach w postaci plam okrągłych lub owalnych o wyraźnie odmiennym zabarwieniu od reszty przełomu. Płatki te są to ślady pęknięć spowodowanych obecnością naprężeń własnych i nadmiernych ilości wodoru wydzielającego się ze stali przerobionej plastycznie na gorąco, przy szybkim chłodzeniu w zakresie poniżej 200 - 250 °C. Wada ta dyskwalifikuje materiał niezależnie od jej nasilenia.

Na fot. 12 przedstawiono przełom niebieski wału ze stali 2H13.

3.2. Próba przełomu ulepszonego cieplnie.

Próba ta ujawnia te same wady co próba przełomu niebieskiego. Obrazy wad na przełomach ulepszonych cieplnie są jednak mniej kontrastowe niż na przełomach niebieskich. Próbkę pobraną i przygotowaną w taki sam sposób jak do próby przełomu niebieskiego obrabia się cieplnie , hartując a następnie odpuszczając przy 550 - 600 °C. Tak obrobioną próbkę łamie się na prasie i powierzchnię przełomu obserwuje się okiem nieuzbrojonym oraz określa widoczne wady wewnętrzne.

3.3. Badanie przełomów.

Zbadanie charakteru przełomu powstałego podczas pracy określonego elementu konstrukcji pomaga często w ustaleniu przyczyny zniszczenia. Przełom może mieć charakter nagły (doraźny) lub zmęczeniowy powstający podczas dłuższego okresu czasu. Przełomy zmęczeniowe wyróżniają się wyraźnie zaznaczoną dwustrefowością wynikającą ze sposobu powstawania przełomu. Dwustrefowość tę tworzą strefy złomu zmęczeniowego i złomu resztkowego. W miarę działania obciążeń zmęczeniowych powstaje pęknięcie pierwotne w postaci mikropęknięcia. Ogniska złomu, z których rozwijają się mikropęknięcia, znajdują się z reguły na powierzchni elementu w miejscach spiętrzenia naprężeń lub różnego rodzaju wad. Mogą to być np. wtrącenia niemetaliczne, pęknięcia hartownicze, ślady po obróbce skrawaniem itp. Jednoczesna lub prawie jednoczesna inicjacja pęknięć jest oczywiście możliwa z kilku ognisk. Ma to miejsce w przypadku istnienia wielu wad, zwłaszcza w częściach silnie obciążonych lub z silnymi spiętrzeniami naprężeń.

W elementach z umocnioną warstwą wierzchnią, jak azotowanych, nawęglanych i hartowanych lub powierzchniowo hartowanych - pęknięcia powstają zazwyczaj na granicy warstwy i rdzenia.

Strefę wokół ognisk nazywa się strefą przyogniskową. Jest ona zwykle błyszcząca, o bardzo drobnoziarnistym wyglądzie i o bardzo małej chropowatości. Ze strefy przyogniskowej rozprzestrzenia się pęknięcie sukcesywnie wraz ze wzrostem liczby cykli w głąb materiału, tworząc strefę zmęczeniową. Strefa zmęczeniowa odznacza się na ogół dużą gładkością i to tym wyższą, im niższe działały naprężenia zmęczeniowe - w więc, im dłuższy był czas rozwijania się głównego pęknięcia zmęczeniowego.

Powierzchnię tej strefy porównuje się z powierzchnią muszlową z zaznaczonymi liniami zmęczeniowymi. Linie zmęczeniowe, zwane także liniami spoczynkowymi lub umocnienia, określają położenie czoła głównego pęknięcia. Linie zmęczeniowe są wywołane najprawdopodobniej zatrzymaniem się lub zmniejszeniem się prędkości rozwoju pęknięcia z różnych

Przyczyn zewnętrznych i wewnętrznych. W liniach mogą znaleźć swoje odbicie te wartości amplitudy naprężenia, które nie przyczyniają się do chwilowego wzrostu pęknięcia - po okresach działania wartości wyższych. Notuje się wzrost umocnienia w miejscach linii. Brak linii zmęczeniowych świadczyć może o ustalonej i ciągłej pracy elementów przy niezmiennej amplitudzie naprężenia. Regularny układ linii sygnalizuje o regularnych; okresowo zmiennych warunkach obciążenia. Nieregularne odstępy między liniami mogą być spowodowane różnie powtarzającymi się zmianami obciążenia w czasie pracy układu.

Linie te widać wyraźnie na fot. 13 i14. Charakterystyczną muszlową powierzchnię posiada strefa zmęczeniowa przełomu przedstawionego na fot. 15. Brak linii zmęczeniowych jest natomiast widoczny na przełomie przedstawionym na fot. 16.

Coraz silniejsze osłabienie elementu przez postępujące pęknięcie prowadzi na ogół do gwałtownej dekohezji. Tę szybko zniszczoną, końcową część przełomu nazwano złomem lub strefą resztkową.

Na rys. 3 przedstawiono charakterystyczne cechy powierzchni przełomów zmęczeniowych.

4. Ujawnienie wad wewnętrznych próba toczenia lub strugania schodkowego (PN-60/H-04508).

Próba ta stosowana jest w celu wykrycia oraz oceny ilości i wielkości nieciągłości materiałowych wewnątrz stali, spowodowanych głównie wtrąceniami niemetalicznymi i niezgrzanymi pęcherzami. Polega ona na obtoczeniu lub zestruganiu kolejnych kilku warstw badanej próbki i stwierdzeniu nieuzbrojonym okiem na świeżo obrobionych powierzchniach ujawnionych nieciągłości. W przypadkach wątpliwych można posłużyć się lupą o 5- krotnym powiększeniu lub wytrawić skrawaną powierzchnię stali wodnym roztworem kwasu siarkowego. Próbę stosuje do prętów, kęsisk lub kęsów oraz rur grubościennych walcowych, ciągnionych lub kutych. Próbki obcina się tak, aby włókna miały kierunek równoległy do osi i wykonuje wg rys.4, zależnie od rodzaju stosowanej próby.

Próba toczenia głęboka (typ A) stosowana jest dla zbadania warstw w całym przekroju elementu, natomiast próba płytka (typ B) - tylko dla zbadania warstw wierzchnich. Ocena materiału następuje na podstawie rodzaju próby oraz dopuszczalnego stopnia nasilenia nieciągłości na określonych schodkach.

5. Badania makroskopowe złącz spawanych.

Badania makroskopowe złącz spawanych wykonuje się przy kontroli jakości spawania i przy kwalifikowaniu spawaczy. Badania te umożliwiają:

ujawnienie błędów kształtu geometrycznego i wymiarów poprzecznych spoiny,
ujawnienie wad budowy spoiny (rozlewy i nawiasy, bark przetopu, podtopienia, wycieki, przyklejenia),
ujawnienie nieciągłości metalu spoiny i złącza (porowatość, zażużlenie, pęknięcia)
określenie jakości wtopienia i szerokości strefy wpływu ciepła w materiale rodzimym.

Na rysunku 5 schematycznie pokazano przykłady typowych wad budowy spoiny i błędów kształtu geometrycznego.

Pobieranie próbek do badań makroskopowych wiąże się z częściowym lub całkowitym uszkodzeniem badanego przedmiotu. Dlatego dla kontroli jakości ważnych konstrukcji spawanych jak zbiorniki i rurociągi ciśnieniowe, wykonuje się dodatkowo tzw. płyty próbne (kontrolne) o odpowiednich wymiarach, złożone z odcinków materiału rodzimego i spawane w tych samych warunkach i tymi samymi środkami, którymi wykonano konstrukcję.

Próbki do badań makroskopowych pobiera się z płyt próbnych i przygotowuje w sposób opisany w pkt.2.1. Należy przy tym pamiętać, że przekrojem charakterystycznym dla złącz spawanych jest przekrój poprzeczny do spoiny i że próbka powinna obejmować całą spoinę, strefę wtopienia, strefę wpływu ciepła i fragment niezmienionego materiału rodzimego.

Najczęściej stosowano odczynniki do ujawnienia makrostruktury złącz spawanych przedstawiono w tabeli 2. Są to odczynniki do powierzchniowego trawienia.

W szczególnych przypadkach stosuje się również odczynniki do głębokiego trawienia przedstawione w tabeli 1.

Zastosowanie odczynnika	Odczynnik		Działanie	Sposób trawienia
Zastosowanie odczynnika		Symbol (nazwa)	Działanie	Sposób trawienia	Zalecany skład chemiczny
Do badania spoin	Ma 11 Fe odczynnik Adlera	3gCuCl₂ 2HN₄Cl 2H₂O 25 ml H₂O (dest.) po rozpuszczeniu dodać 50 ml HCL (1,19) 15 g FeCl₃	Wyraźnie ujawnia spoiny i warstwy napawane	Zgład trawić w temperaturze pokojowej. Po trawieniu zgład płukać strumieniem wody, następnie alkoholem etylowym lub denaturatem, po czym suszyć strumieniem ciepłego powietrza
Do badania spoin oraz miejsc, w których nastąpiło przegrzanie przy zbyt ostrych warunkach szlifowania	Ma 20 Fe	10 do 20 ml HNO₃ (1,42) 90 do 80 ml C₂H₅OH	Ujawnia budowę stalowych złącz spawanych	j.w.

II. Badania nieniszczące.

Ultradźwiękowe metody badań materiałów.

Ultradźwiękami nazywamy mechaniczne zjawiska falowe występujące w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych o częstotliwości większej niż górna granica słyszalności ucha ludzkiego, a więc większej niż 18000 drgań/sek. Warunki rozchodzenia się fal ultradźwiękowych oraz zjawiska, które im towarzyszą, są zależne od własności ośrodka, w którym one występują. Stąd też wynika możliwość badania własności ośrodka za pomocą fal ultradźwiękowych, a szczególnie badania ciał stałych, w których nie rozchodzą się fale elektromagnetyczne w postaci światła, a więc których wnętrze jest niedostępne dla naszego oka.

Fale ultradźwiękowe określa się najogólniej jako zjawisko przenoszenia się w przestrzeni ruchu drgającego o częstotliwości ponad słyszalnej.

Cząstka ośrodka, która zostaje pod wpływem działania siły zewnętrznej wychylona ze swego pierwotnego położenia (położenia równowagi), zmuszona zostaje do ruchu powrotnego wskutek sił sprężystych ośrodka. Bezwładność cząstki powoduje, że nie zatrzymuje się ona w położeniu pierwotnym, lecz mija je z pewną prędkością, a następnie wychyla się w drugą stronę tak daleko, aż jej energia kinetyczna zmieni się znów na energię sprężystą (potencjalną). Drgania ośrodka występują zatem wskutek jego bezwładności i sprężystości.

Część energii drgającej cząstki przekazana zostaje cząstkom sąsiednim, a te z kolei zaczynają drgać i przekazują energię dalej. Ponieważ każda cząstka zaczyna ruch z opóźnieniem względem poprzedniej przeto ruch drgający przesuwa się z pewną skończoną prędkością.

To zjawisko przenoszenia się ruchu drgającego nazywa się ruchem falowym. Prędkość przenoszenia tego ruchu nazywa się prędkością fali. Jak wiadomo z fizyki, prędkość rozchodzenia się drgań nie jest jednakowa. W stali wynosi ona ok. 5900 m/sek, w cieczach 1000- 2000 m/sek, a w powietrzu 344 m/sek.

Czas, w ciągu którego cząstka wykonuje jedno pełne drganie nazywa się okresem drgań i oznacza przez T. Odwrotność okresu nazywa się częstotliwością drgań.

W defektoskopach przemysłowych źródłem ultradźwięków jest najczęściej płytka kwarcowa, umieszczona w szybkozmiennym polu elektrycznym. Płytka taka pod wpływem zmian pola na przemian kurczy się i rozszerza z częstotliwością równą częstotliwości zmian pola. Zjawisko to nazywa się piezoelektrycznością.

Ponieważ fale ultradźwiękowe podlegają prawom odbicia, przechodzenia, absorpcji i tłumienia, przeto opracowano kilka metod badań ultradźwiękowych, z których najczęściej stosowane są :

metoda echa (wykorzystuje się fale odbite),
metoda cienia (wykorzystuje się fale przepuszczone).

Metoda echa.

Schemat defektoskopu ultradźwiękowego działającego na zasadzie echa przedstawiono na rys. 6, a zasadę metody echa wyjaśnia rys. 7.

W metodzie echa nadajnik i odbiornik znajdują się po tej samej stronie badanego przedmiotu. Gdy wiązka drgań wysyłana przez nadajnik przechodzi przez badany materiał, dochodzi do przeciwległej ściany, zostaje od niej odbita i wraca do odbiornika bez stłumienia na skutek nieobecności na jej drodze wad, to wtedy rysuje się na ekranie oscyloskopu linia przedstawiona na rys. 7a. Załamania na tej linii odpowiadają obydwu badanym powierzchniom przedmiotu, czyli odległości między załamaniami linii na oscyloskopie wskazuje na względną grubość przedmiotu. Gdy wiązka drgań wysyłana przez nadajnik przechodzi tylko częściowo bez stłumienia do przeciwległej ściany, a częściowo zostaje odbita np. od pęknięcia znajdującego się wewnątrz materiału, to wtedy otrzymana linia na ekranie oscyloskopu ma kształt jak na rys. 7b, przy czym z załamania linii znajdującej się między załamaniami skrajnymi wywnioskować można o umiejscowieniu się wady w materiale. Gdy natomiast wiązka drgań wysyłana przez nadajnik zostaje całkowicie stłumiona i nic dochodzi do przeciwległej ściany, ponieważ ulega w całości odbiciu od występującej wady w materiale, to wtedy otrzymana linia na ekranie oscyloskopu ma kształt jak na rys. 7c, przy czym z załamania linii wywnioskować można o umiejscowieniu się wady w materiale.

Metoda echa jest najczęściej stosowana. Umożliwia ona badanie przedmiotów stalowych o grubości do ok. 4 m, przy czym pozwala na dość ścisłe zlokalizowane wady. Zaletą tej metody. Zaletą tej metody jest to, że do jej zastosowania wystarcza jednostronny dostęp do badanego przedmiotu. Metoda ta nie nadaje się do badania małych przedmiotów i nie można za jej pomocą wykryć wad leżących blisko powierzchni, gdyż na ekranie oscyloskopu impuls pochodzący od wady zlewa się wtedy z impulsem wejściowym lub z echem dna.

Metoda cienia.

Zasadę metody cienia przedstawiono na rys. 8.

W metodzie cienia nadajnik i odbiornik znajdują się po przeciwnych stronach badanego przedmiotu. Gdy wiązka drgań wysyłana przez nadajnik nie napotyka wad we wnętrzu badanego przedmiotu to dojdzie do przeciwległej powierzchni przedmiotu i zostanie przejęta przez odbiornik, to wtedy rysuje na ekranie oscyloskopu linia przedstawiona na rys. 8a. Załamania na tej linii odpowiadają obydwu badanym powierzchniom przedmiotu, czyli odległość między załamaniami linii na oscyloskopie wskazuje na względną grubość przedmiotu. Gdy natomiast wiązka drgań wysyłana przez nadajnik natrafi na wadę wewnętrzną, zostaje przez nią osłabiona (rys. 8b) lub nawet całkowicie odbita (rys. 8c).

Metoda cienia wymaga dwustronnego dostępu do badanego przedmiotu i umieszczenia nadajnika i odbiornika dokładnie naprzeciw siebie, co niekiedy jest trudne do wykonania. Metoda ta pozwala na określenie położenia wady tylko w jednej płaszczyźnie (prostopadłej do wiązki drgań); nie można natomiast określić na jakiej głębokości leży wada. Metodą tą można jednak badać nawet bardzo cienkie przedmioty, przy czym gruboziarnistość struktury i nierówności powierzchniowe ni odgrywają tutaj takiej roli jak w metodzie echa.

Metody ultradźwiękowe stosuje się do badania połączeń spawanych, odlewów, szyn kolejowych, wałów i osi, blach itp. Poza wykrywaniem wad metody ultradźwiękowe służą do pomiaru grubości przedmiotów metalowych (blach, płyt, rur itp. ).

Magnetyczne metody badań materiałów.

W metodach magnetycznych wykorzystuje się zjawisko rozproszenia pola magnetycznego, powstawanie pozostałości magnetycznej (magnetyzmu szczątkowego) lub oddziaływanie magnesu na ciała ferromagnetyczne.

Zjawisko rozproszenia pola magnetycznego wokół wad powierzchniowych i podpowierzchniowych znajduje zastosowanie przy wykrywaniu wad materiałów. Pozostałość magnetyczna, czyli magnetyzm szczątkowy może być wskaźnikiem świadczącym o jakości materiałów.

Oddziaływanie magnesów na przedmiot wykorzystuje się do pomiaru grubości cienkich powłok metalowych pokrywających przedmioty lub do pomiaru grubości ścianek.

Przy wykrywaniu wad materiału wystarczy ujawnienie pola rozproszenia, w pozostałych przypadkach trzeba mierzyć wielkość pozostałości magnetycznej (magnetyzmu szczątkowego) lub wielkość oddziaływania magnesu na przedmiot.

Ze względu na sposób ujawniania pola rozproszenia w okolicy nieciągłości materiału rozróżniamy:

magnetyczną metodę proszkową,
metodę magnetograficzną,
metody pomiaru pola magnetycznego za pomocą cewki indukcyjnej.

2.1.Magnetyczna metoda proszkowa.

Jeżeli magnes stały przez który przebiegają równoległe linie sił pola magnetycznego natniemy, to w tym miejscu pojawią się dwa nowe bieguny N i S wokół których utworzy się pole magnetyczne o liniach sił zamykających się przez powietrze (rys. 9a). W miejscu nacięcia opór magnetyczny istotnie wzrasta ponieważ przenikalność magnetyczna powietrza jest istotnie mniejsza od przenikalności żelaza. Największa część linii sił pola magnetycznego przejdzie przez pozostały przekrój magnesu, co spowoduje zagęszczenie w żelazie. Nieznaczna część przenikać będzie przez szczelinę powietrzną, a trzecia, bardzo niewielka część linii zamknie się ponad magnesem. Wyjście linii sił pola magnetycznego z żelaza do powietrza i ich powrót następuje pod kątem bliskim 90 °.

Opisane zjawisko nazywa się rozproszeniem pola magnetycznego.

Identyczne zjawisko występować będzie w przedmiocie wykonanym z materiału ferromagnetycznego jeżeli umieszczony on zostanie w polu magnetycznym, a zamiast nacięcia w przedmiocie występować będą wady w postaci pęknięć, porowatości, zażużleń itp., przy czym im wady będą usytuowano głębiej pod powierzchnią, tym pola rozproszenia będą o wiele słabsze i tym samym trudniej wykrywalne (rys. 9b). Zazwyczaj wykrywalne pole rozproszenia może się wytworzyć wtedy gdy wada tworzy z kierunkiem linii sił pola magnetycznego kąt 45 - 90 °.

W magnetycznej metodzie proszkowej pole rozproszone wokół nieciągłości powierzchniowych lub podpowierzchniowych ujawnia się za pomocą proszku magnetycznego, który stanowią drobne ziarenka tlenków żelaza, najczęściej magnetytu Fe₃O₄. Ziarenka magnetytu o średnicy od 1 do 10 μm stają się, dzięki indukcyjnemu oddziaływaniu pola magnetycznego, małymi magnesami. Ziarenka magnetytu układać się będą w ten sposób, aby zmniejszyć ilość linii sił pola magnetycznego przechodzących przez powietrze, umożliwiając przynajmniej ich części przejście przez siebie i to jest przyczyną, że na przedmiocie w którym znajduje się wada, nawet wtedy gdy jest ona całkowicie ukryta pod zdrową powierzchnią, wystąpi charakterystyczne ułożenie cząstek magnetytu i to w miejscu nad wadą. Za pomocą proszków magnetycznych ujawnić można wady powierzchniowe o szerokości równej ok. 1 μm.

Ażeby więc móc wykryć wady w materiałach ferromagnetycznych, trzeba wytworzyć w nich przynajmniej na krótki okres czasu pole magnetyczne, którego rozproszenie ujawnia się za pomocą proszku magnetycznego.

Namagnesowania badanego przedmiotu dokonać można za pomocą magnesów stałych, elektromagnesów lub prądu elektrycznego. Ze względu na kierunek wytworzonego pola magnetycznego w stosunku do badanego przedmiotu rozróżnia się:

magnesowanie wzdłużne (przydatne do badania przedmiotów długich - rys.10a),
magnesowanie kołowe (rys. 10b), gdzie pole magnetyczne otaczając przedmiot posiada kierunek prostopadły do jego osi wzdłużnej.

Niekiedy stosuje się magnesowanie złożone, tj. równoczesne magnesowanie podłużne między nadbiegunnikami elektromagnesu oraz magnesowanie kołowe przez bezpośredni przepływ prądu (rys. 11).

W magnetycznej metodzie proszkowej rozróżnia się dwie metody badania:

metodę mokrą,
metodę suchą.

Przy zastosowaniu metody mokrej przedmiot polewa się zawiesiną proszku w nafcie lub leju. Dla polepszenia kontrastu proszek jest zwykle barwiony. Stosowany jest również proszek fluoryzujący. W tym przypadku przedmiot trzeba oglądać w świetle ultrafioletowym, w zaciemnionym pomieszczeniu. Zawiesinę proszku sporządza się na bazie nafty. Np. 65 -75 % nafty, 25 - 35 % oleju i 5 - 10 g proszku na 1 litr.

W metodzie suchej proszek nakłada się za pomocą rozpylacza wytwarzając chmurę pyłową.

Większą czułość osiąga się przy metodzie suchej, szczególnie na bardzo chropowatych powierzchniach gdy chodzi o wykrywanie wad podpowierzchniowych.

Przeprowadzając badania metodą proszkową należy:

pokryć badaną powierzchnię proszkiem magnetycznym,
umieścić przedmiot badany w polu magnetycznym,
obserwować skupienia proszku i tym samym oceniać rodzaj i wielkość wad,
podjąć decyzję co do dalszego wykorzystywania badanego przedmiotu.

2.2.Metoda magnetograficzna.

W metodzie tej wykorzystuje się, podobnie jak w magnetycznej metodzie proszkowej, zjawisko rozproszenia pola magnetycznego wokół wad powierzchniowych lub podpowierzchniowych. Wykrywanie pola rozproszonego następuje za pomocą taśmy magnetycznej lub taśmy gumowej pokrytej drobnymi cząstkami magnetycznymi. Taśma przyłożona do przedmiotu magnesuje się w miejscach, w których występuje pole rozproszenia. Taśmę magnetyczną po zdjęciu z przedmiotu przepuszcza się przez głowicę służącą do odczytu pola magnetycznego. Wynik badania zarejestrować można albo za pomocą pisaka lub na wskaźniku oscyloskopowym.

W porównaniu z magnetyczną metodą proszkową metoda magnetograficzna pozwala na uzyskanie lepszej wykrywalności.

2.3.Metody pomiaru pola magnetycznego za pomocą cewki indukcyjnej.

Zgodnie z prawem indukcji, zmiana pola magnetycznego, w którym znajduje się cewka, indukuje w niej napięcie elektryczne proporcjonalnie do zmiany strumienia indukcji magnetycznej, a tym samym do natężenia pola magnetycznego.

Do pomiaru stałego pola magnetycznego stosuje się cewkę wirującą lub cewkę drgającą. Na skutek ruchu cewki w polu magnetycznym zmienia się strumień magnetyczny przechodzący przez cewkę, a to prowadzi do indukowania w cewce zmiennego napięcia. Wielkość tego napięcia zależy od natężenia mierzonego pola magnetycznego oraz od częstotliwości i amplitudy drgań cewki względnie ilości obrotów cewki wirującej. Pomiaru pola magnetycznego dokonać można za pomocą cewki indukcyjnej połączonej z galwanometrem (fluksomierz), sondy Foerstera lub za pomocą hallotronu.

Najważniejszymi własnościami magnetycznymi materiałów, które mogą być wykorzystane przy badaniach nieniszczących są : przenikalność magnetyczna, siła koercji, namagnesowanie przy nasyceniu i magnetyzm szczątkowy. Własności te zależą od struktury materiału, a wiadomo, że z kolei ze strukturą wiążą się inne własności fizyczne jak wytrzymałość, twardość, kruchość, plastyczność itp. Z tego powodu można oczekiwać, że o niektórych własnościach fizycznych, względnie przemianach strukturalnych, można wnioskować na podstawie pomiarów własności magnetycznych.

Pomiar natężenia koercji pozwala na przeprowadzenie automatycznego sortowania elementów produkcji masowej od których żąda się utrzymania, w przypisanych granicach, twardości lub wytrzymałość. Badane części umieszcza się w polu magnetycznym cewki przez którą przepływa prąd stały. Zwiększając natężenie prądu doprowadza się materiał do stanu nasycenia magnetycznego, następnie obniża się natężenie pola aż do zera. Badana część wykazuje magnetyzm szczątkowy, który zanika po przyłożeniu przeciwnie skierowanego pola magnetycznego. Wartość natężenia przy którym zanika magnetyzm szczątkowy jest tzw. siłą koercji, którą odczytuje się na przyrządzie.

W produkcji często zachodzi obawa pomieszania wyrobów z różnych gatunków stali. Przeprowadza się wówczas segregację stali za pomocą pomiaru koercji. Warunkiem niezbędnym jest, ażeby te gatunki stali, które chcemy posegregować wykazywały dostatecznie różniące się od siebie siły koercji.

Kontrola wymiarów to dziedzina, w której metody indukcyjne znalazły szerokie zastosowanie, szczególnie w przypadku jednego zmieniającego się wymiaru, jak np. w pomiarach średnic lub grubości blach. Należy podkreślić, że metod indukcyjnych używa się tylko w produkcji masowej, gdyż cechowanie i próby wstępne są bardzo kosztowne, jak więc w razie małej liczby przedmiotów badanych byłoby to koniecznie nieuzasadnione.

Metody indukcyjne zastępują przyrządy mechaniczne wtedy, gdy pomiary wykonywane są w sposób ciągły oraz gdy grubość przedmiotu jest mała. W przypadku pomiaru powłok ochronnych metody indukcyjne są zaś jedynymi, za pomocą których można przeprowadzić pomiar bez zniszczenia warstwy ochronnej. Do pomiaru grubości taśm i folii z materiału niemagnetycznego używa się cewki widełkowej w układzie bezwzględnym lub porównawczym (rys. 12), zaś do pomiarów grubości, w których przedmiot jest dostępny tylko z jednej strony oraz do pomiaru grubości powłok używa się cewki stykowej.

Za pomocą cewki indukcyjnej można również dokonywać pomiaru rozproszenia pola magnetycznego. Metoda ta zapewnia większą czułość w porównaniu z metodą magnetyczną proszkową i umożliwia ocenę głębokości na jakiej występuje ujawniona wada. Opracowania teoretyczne z tego zakresu są stosunkowo obszerne, lecz dotychczas tylko nieliczne z nich znalazły zastosowanie praktyczne. Badanie rur przy użyciu sond wykorzystuje się głównie do rur grubościennych i o dużej średnicy, zaś do badania i kontroli szyn kolejowych stosuje się metodę E.A. Sperry'ego (ryz.13).

Przyrząd działający wg metody jak na rys. 13 jest zamontowany pod wagonem. Zaburzenie pola magnetycznego w miejscu wady rejestrują sondy, a przesyłane przez nie sygnały rejestruje samopis z zaznaczeniem drogi i czasu. Miejsce położenia wady oznacza się farbą z pistoletu natryskowego. Metoda pozwala więc na śledzenie pęknięcia i w odpowiednim czasie umożliwia wymianę szyny. Metoda magnetyczna znalazła również zastosowanie do badania lin stalowych, używanych w kolejkach wyciągowych, kopalniach itp. Uszkodzenie lin następować może przez ścieranie drutów. Lina przechodzi przez cewkę, przez którą przepuszcza się prąd stały. Cewka jest rozkładana, ażeby można ją było nałożyć na linę. Pomiar rozproszonego pola magnetycznego przeprowadza się za pomocą jednej lub dwóch cewek. Mierzą one promieniową - składową rozproszonego pola magnetycznego. Gdy w układzie pomiarowym znajdują się dwie cewki, zwykle umieszcza się je w różnych odległościach od liny. Pozwala to na ustalenie głębokości pęknięcia. Wyniki badań są rejestrowane przez urządzenie samopiszące.

metody radiograficzne.

Badania radiograficzne polegają na prześwietlaniu badanego przedmiotu promieniami Roentgena (x), lub promieniami γ emitowanymi przez izotopy promieniotwórcze (najczęściej : Co⁶⁰,Ir¹⁹²,Tm¹⁷⁰i Cs¹³⁷ ) i obserwacji skutków tego prześwietlania na specjalnej błonie fotograficznej lub fluoryzującym ekranie.

Uzyskany na skutek badań radiograficzny obraz przedmiotu wykazuje wady materiałowe tylko w przypadku istnienia różnicy natężenia promieniowania po przyjściu przez przedmiot w miejscu wadliwym i w miejscu bez wad (rys. 14).

Przypuśćmy, że mamy przedmiot badany o grubości D (rys. 14).

Gdy promienie x lub γ przechodzą przez niego w miejscu zdrowym to natężenie promieniowaniaJ₁ wyniesie:

J₁ = J₀*e^-^μ^D

Gdzie: J₀ - natężenie promieni x lub

e - podstawa logarytmów naturalnych,

μ - liniowy współczynnik osłabienia promieni x lub γ dla danego metalu, zależny od jego gęstości i liczby atomowej, przy czym

μ = τ ÷ σ

τ - współczynnik pochłaniania,

σ - współczynnik rozproszenia.

Gdy promienie przechodzą przez przedmiot w miejscu wadliwym np. przez pęcherz gazowy o grubości d, to wtedy natężenie promieniowania J₂ wyniesie:

J₂= J₀ * e^-^μ^(D-d)

Na skutek różnicy natężenia promieniowania powstają na błonie fotograficznej, znajdującej się bezpośrednio pod badanym przedmiotem, pola o różnym zaczernieniu, świadczące o istniejących wadach. Otrzymywanie obrazu radiograficznego przedstawiono schematycznie na rys. 15.

W atlasie, na fotografii 26 przedstawiono obraz makrostruktury złącza spawanego z dwustronny wklęśnięciem, a na fotografii 27 - radiogram tego złącza z widocznymi wadami.

Wyrób, który ma być poddany operacji prześwietlania powinien być oczyszczony. W przypadku kontroli odlewów należy usunąć nadlewy i druty użyte do wzmocnienia rdzeni bądź jako ochładzalniki. W przypadku spoin, złącza kontrolowane należy oczyścić z żużla. Wszystkie wyroby kontrolowane zanieczyszczone oliwą lub smarem należy również oczyścić, ażeby zapobiec zatłuszczeniu kaset z błonami.

Po przeprowadzeniu prześwietlania przedmiotu, błony radiograficzne wywołuje się i utrwala w specjalne dla nich przeznaczonych odczynnikach.

Metody penetracyjne.

Metody penetracyjne polegają na wykorzystaniu zjawiska wnikania cieczy w otwarte szczeliny powierzchniowe.

Proces badania metodą penetracyjną zawiera następujące czynności:

oczyszczenie powierzchni,
naniesienie cieczy penetracyjnej,
usuniecie nadmiaru cieczy penetracyjnej,
naniesienie wywoływacza,
obserwację wskazań i interpretację wyników.

W przypadku zastosowania tzw. emulgatora dochodzi przed usunięciem nadmiaru cieczy penetrującej dodatkowa czynność, mianowicie naniesienie cieczy emulgującej.

Ażeby wskazania były wyraźnie widoczne wywoływacz i utrwalacz powinny dawać duży kontrast. Istnieją dwa sposoby uzyskania wysokiego kontrastu. Pierwszy polega na stosowaniu cieczy penetracyjnej o kolorze czerwonym i białego wywoływacza. Mówimy wówczas o metodzie barwnej lub kontrastowej. Przy drugim sposobie badania ciecz penetracyjna zawiera dodatki fluoryzujące. Po wywołaniu cieczy ze szczelin obserwację przedmiotu przeprowadza się w świetle ultrafioletowym. Ciecz penetracyjna, na którą pada światło ultrafioletowe o długości fali 3650 Å promieniuje światło o fali nieco dłuższej, już widzialne. Wskazania mają kolor zielonkawo - żółty na ciemnym tle przedmiotu. Obserwacji wskazań można dokonać tylko w zaciemnionym pomieszczeniu. Przy tak przeprowadzonym badaniu mówimy o metodzie fluorescencyjnej.

Oczyszczenie powierzchni.

Oczyszczenie powierzchni przedmiotu jest niezbędne ponieważ ciecz może wniknąć tylko w otwarte szczeliny powierzchniowe. Najlepszy sposób oczyszczenia polega na odtłuszczeniu za pomocą pary. Zanieczyszczenia jak smary, olej, węgiel, powinny być usunięte drogą chemiczną, strumieniem pary, ewentualnie drogą trawienia. Niewskazane jest stosowanie piaskowania lub innej obróbki mechanicznej, ponieważ doprowadzić to może do zakrycia szczelin przez które powinna wniknąć ciecz penetrująca. Resztki wody muszą być z badanego przedmiotu starannie usunięte.

Nanoszenie penetranta.

Ciecz penetrującą nanosi się przez zanurzenie przedmiotu w cieczy albo za pomocą pędzla lub wreszcie za pomocą rozpylaczy względnie specjalnych pojemników ciśnieniowych, samorozpylających (pojemniki aerozolowe). Ciecz penetrująca wnika w otwarte szczeliny powierzchniowe jak pokazano schematycznie na rys. 16. Czas penetracji zależy od własności cieczy penetrującej, rodzaju materiału, wykrywalności, jaką pragnie się osiągnąć, a także od rodzaju wykrywanych wad. Czas penetracji zawiera się w granicach od jednej minuty do kilkudziesięciu minut.

Niekiedy przedmiot badany podgrzewa się, po czym zanurza do zimnej cieczy penetrującej. Spadek temperatury powoduje powstanie podciśnienia w szczelinie dzięki czemu penetrant wnika łatwiej do szczeliny. Podobny skutek można wywołać przez uderzenie lub pobudzenie przedmiotu do drgań.

Usuwanie penetranta.

Usuwanie nadmiaru cieczy penetrującej z powierzchni odbywa się albo przez spłukanie wodą albo za pomocą specjalnego zmywacza, który również może być używany do oczyszczania powierzchni (rys. 17). Niektóre penetranty dają się łatwo usuwać za pomocą wody ponieważ zawierają dodatki ułatwiające emulgowanie. Jednakże przy zmywaniu wodą można usunąć również penetrant z płaskich (wklęsłych) szczelin. Z tego powodu stosowany jest niekiedy penetrant niezmywalny za pomocą wody. Ażeby go usunąć należy nanieść na powierzchnię tzw. emulgator (rys. 18). Tworzy on z penetrantem mieszaninę łatwo usuwalną za pomocą wody (rys. 19). W szczelinach pozostaje penetrant bez emulgatora, dzięki czemu nie zostanie on usunięty przy zmywaniu.

Penetranty niezmywalne wodą a więc wymagające emulgowania mają szereg zalet w stosunku do penetrantów zmywalnych za pomocą wody. Pozwalają na przykład na uzyskanie lepszej wykrywalności, możliwe jest również wykrycie wad wklęsłych. Metoda emulgacji jest jedyną metodą zalecaną dla stopów tytanu.

Czas emulgowania zawiera się od kilku sekund do kilku minut, przeciętne wynosi około 3 minut.

Nanoszenie wywoływacza.

Po usunięciu nadmiaru penetranta powierzchnię należy wysuszyć. Na suchą powierzchnię nakłada się wywoływacz (rys. 20). Zadanie jego polega na wyciągnięciu cieczy penetrującej ze szczelin. Ciecz „wyciągnięta” ze szczeliny rozpływa się po wywoływaczu, zabarwia go i w ten sposób powiększa szerokość szczeliny (rys. 21). Szybkość wywoływania można zintensyfikować poprzez pobudzenie przedmiotu do drgań lub poprzez ogrzewanie.

Stosuje się dwa typy wywoławczy: suchy i mokry. Suchy wywoływacz ma konsystencję talku. Mokry wywoływacz stanowi zawiesinę drobnego proszku w szybko parującej cieczy. W przypadku stosowania mokrego wywoływacza można go wysuszyć strumieniem ciepłego powietrza. Pomaga to również do wyciągnięcia penetranta ze szczelin.

Obserwacja.

Obserwację przeprowadza się w świetle białym jeżeli stosowany jest tzw. barwny zestaw penetracyjny i w świetle ultrafioletowym jeżeli stosowany jest fluorescencyjny zestaw penetracyjny. Przy barwnym zestawie penetracyjnym wady da się zaobserwować jako czerwone linie, punkty względnie plamy na białym tle wywoływacza. Przy zastosowaniu zestawu fluorescencyjnego miejsca z wadami oświetlone lampą ultrafioletową będą świecić jasnym żółto-zielonym światłem.

Wykonanie ćwiczenia.

Określić segregację siarki w wyrobach stalowych poprzez przeprowadzenie próby Baumana.
Przeprowadzić badania

metodą ultradźwiękową,
metodą magnetyczną,
metodą penetracyjną.

3. Przeprowadzić obserwację radiogramów odlewów i dokonać analizy widocznych wad wewnętrznych.

Wyszukiwarka