Badanie mikroskopowe stali i żeliw

Badania mikroskopowe polegają na obserwacji odpowiednio przygotowanej powierzchni próbek za pomocą mikroskopu pod znacznym powiększeniem. Mają one na celu stwierdzenie czystości , jednostajności i budowy materiału, zidentyfikować rodzaj wtrąceń niemetalicznych, pęcherzy gazowych czy też mikropęknięć. W pewnych wypadkach pomiaru wielkości ziarna, warstwy nawęglonej, odwęglonej lub ochronnej, określenie zgniotu czy też składu chemicznego.

Próbki do badań powinny być odpowiednio przygotowane aby ich struktura była dobrze widoczna:

1. Małe próbki należy po wycięciu obstalować w specjalnych uchwytach, które umożliwiają dalsze przygotowania.

2. Wstępną obróbkę przeprowadza się szlifierkach lub frezarkach cały czas intensywnie chłodząc w celu uniknięcia zmian strukturalnych.

3. Kolejny etap to szlifowanie powierzchni, przeprowadza się to na szlifierce mechanicznej lub ręcznej i płucze się.

4. Następnie wygładza się próbkę papierem ściernym lub płótnem ściernym i płucze wodą.

5. Polerowanie przeprowadza się używając emulsji Al₂O₃ , pasty diamentowej lub diamentowego papieru ściernego. Można też elektrolitycznie zanurzając próbkę w elektrolicie i łącząc ją jako anodę w obwód elektryczny.

Końcowy etap polega na płukaniu próbki wodą destylowaną lub alkoholem etylowym.

6. Trawienie ma na celu ujawnienie mikrostruktury próbki ,a przeprowadza się je odpowiednimi czynnikami.

Najczęściej badanymi materiałami są stale i żeliwa. Stopy żelaza z węglem (zaw. C poniżej 2%) i żeliwa (zaw. C powyżej 2%)

STALE

Czyste żelazo nie znajduje większego zastosowania w technice. Do technicznych odmian czystego żelaza Fe zalicza się:

1. Żelazo strefowe topione - 0,001% domieszek

2. Żelazo chemicznie czyste, wytwarzane metodą redukcji tlenków - ok. 0,007% domieszek

3. Żelazo elektrolityczne - ok. 0,02% domieszek

4. Żelazo karbonylowe - ok. 0,03% domieszek

5. Żelazo uzyskiwane na drodze metalurgicznej - typu ARMCO o zawartości 0,1% domieszek

Odmiany alotropowe Fe wykazują zdolność rozpuszczania C zależną od temperatury, przy czym max. rozpuszczalność występuje w temp. przemian:

1. Przemiana perlityczna podczas której powstaje austenit - roztwór stały węgla w żelazie γ. Przemiana ta zachodzi tylko w stopach o zawartości C 0,09% - 0,53%

2. Przemiana eutektyczna podczas której powstaje ledeburyt - mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu. Przemiana ta zachodzi tylko w stopach o zawartości C> 2,11%

3. Przemiana eutektoidalna podczas której perlit - mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu o zawartości 0,77%C. Przemiana ta zachodzi w stopach o zaw. C.0,0218%.

Wykres żelazo-cementyt

Wykres żelazo-cementyt

- Linia likwidusu układu Fe- Fe₃C przebiega między punktami ABCD

• Linia solidusu - AHJECF oznacza to, że:

1. wzdłuż linii AB wydzielają się z cieczy kryształy ferrytu

2. wzdłuż linii BC wydzielają się kryształy austenitu

3. wzdłuż linii CD wydzielają się kryształy cementytu pierwotnego

• Linia ES określa zmianę rozpuszczalności C w austenicie pozostającym w równowadze z cementytem i jest oznaczana symbolem A_cm . Ponieważ przy chłodzeniu rozpuszczalność C maleje od 2,11% w temp. 1148^oC do 0,77% w temp. 727^oC ,nadmiar węgla wydziela się w postaci cementytu zwanego wtórnym.

• Linia PQ określa zmianę rozpuszczalności C w ferrycie. W temp. 727^oC rozpuszcza się 0,0218%C podczas gdy w temp. pokojowej 0,008% C. Stąd przy chłodzeniu nadmiar węgla wydziela się w postaci cementytu zwanego trzeciorzędowym.

Austenit - roztwór stały C w żelazie γ. Posiada siatkę elementarną

w środku której znajduje się jeszcze jeden atom węgla.

Austenit o ile nie zawiera zbyt dużo domieszek stopowych to posiada dość znaczną wytrzymałość na rozciąganie, duże wydłużenie, przewężenie, udarność i odporność na ścieranie, a stosunkowo małą twardość i granicę sprężystości. Jest on składnikiem paramagnetycznym i po ujednorodnieni posiada budowę komórkową.

Cementyt ma strukturę złożoną z Fe i C o zaw. 6,67%C. Cementyt zwany jest także węglikiem krystalizacji w układzie rombowym. Rozmieszczenie atomów Fe w stosunku do siatki utworzonej przez atomy C jest poprzesuwane o różne odległości i z tego powodu Fe₃C jest bardzo twardy i kruchy. Rozróżniamy cementyt pierwotny - wydzielany z fazy ciekłej podczas krzepnięcia surówek oraz wtórny wydzielony z roztworu stałego C w Fe γ na skutek zmniejszenia się rozpuszczalności C podczas obniżania temp. od 1145-721^oC i cementyt trzeciorzędowy wydzielony z roztworu stałego ferrytu na skutek zmniejszenia się rozpuszczalności C w Fe α podczas obniżania temp. od 721^oC do temp. otoczenia.

Ferryt to roztwór C w Fe α, posiada on siatkę żelaza α w którejrej znajduje się jeden atom C. Ferryt posiada siatkę przestrzennie centryczną, ma nieznaczną wytrzymałość na rozciąganie, niską granicę sprężystości i niewielką twardość. Stale o budowie czysto ferrytycznej mają zastosowanie głównie w elektronice - duża przenikalność magnetyczna i niska siła koercji.

Perlit to mieszanina eutektoidalna powstała w stałej temp. 721^oC na skutek rozpadu austenitu. Jest on składnikiem stali węglowych wyżarzanych.

Ledeburyt to eutektyczna mieszanina austenitu i cementytu, powstała poniżej temp. 723^oC przemiany eutektoidalnej występuje ledeburyt przemieniony.

Klasyfikacja stali

Według obowiązujących norm stale dzielimy:

1. w zależności od końcowego zabiegu technologicznego

2. w zależności od końcowej obróbki cieplnej

Klasyfikacja stali oparta jest również na rożnych kryteriach które można uogólnić do składu chemicznego oraz zastosowania. Według pierwszego kryterium wyróżnia się dwie zasadnicze grupy stali:

1. zwykłe,(niestopowe), węglowe zawierające domieszki w ilościach przekraczających ustalone umowne wartości

2. stopowe zawierające składniki stopowe w ilości określonej normami odpowiednich gatunków stali.

Natomiast stale węglowe możemy podzielić następująco:

1. stale konstrukcyjne

• zwykłej jakości

• wyższej jakości

• najwyższej jakości

2. stale narzędziowe

• zgrzewalne

• płytko i głęboko hartujące się

3. o sztywnych własnościach

• łatwo obrabialna mechanicznie

• magnetycznie miękka

A stale stopowe:

1. konstrukcyjne

• do budowy konstrukcji stalowych

• sprężynowe

• do nawęglania

• do ulepszania cieplnego

• do azotowania

• na łożyska toczne

2. narzędziowe

• do pracy na zimno

• do pracy na goreąco

• szybko tnąca

3) o szczególnych własnościach

• do pracy przy podwyższonych temperaturach

• odporne na korozje

• żaroodporne i żarowe

• w szczególnych warunkach magnetychnych

• w szczególnych warunkach fizycznych

Ważniejsze oznaczenia stali węglowych, konstrukcyjnych

Przeznaczenie (przed albo po znaku stali)	Szczególne wymagania (po znaku stali)
automatowa D- na drut penetrowany E- dla elektrotechniki E- (za znakiem)do zgrzewania elektrycznego K- na blachy i rury kotłowe Ł- na łożyska toczne M- na konstrukcje mostowe N- na śruby dla miernictwa naftowego	stal o wyższych wymaganiach G- stal o podwyższonej zawartości manganu U- stal z wymaganą udarnością Ut- stal z wymagana udarnością w stanie normalizowanym cieplnym E- drobno ziarnista niestarzejąca się W- specjalnie uspokojona

Stale oznaczamy:

1. Stale niestopowe konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia St +(0-7)-gatunki oraz dodatkowych liter np. S- przydatne do spawania, kolejne litery to oznaczenia składnik dodatkowego w% od największego. Literki X dopisujemy dla stali uspokojonej i Y dla pół-uspokojonej, gatunki te nie oznacza się dodatkowo. W przypadku udarności uzupełnia się literką U, a plastyczności B. Np. St3SX, St3Scu.

2. Stale węglowe konstrukcyjne wyższej jakości ogólnego przeznaczenia- St + X-uspokojona, Y- pół-uspokojona, G- o podwyższonej zawartości Mn, A- o wyższych wymaganiach składu chemicznego, Ż- przetopiona elektrolitycznie, U- z udarnością. A- o podwyższonej czystości w zakresie fosforu i siarki, AA- o zaostrzonych wym. W zakresie składu chemicznego, rs- regularna zawartość siarki, h- o wymaganiach hartowności, H- o podwyższonej dolnej granicy twardości, L- o obniżonej.

ŻELIWA

Żeliwo jest stopem żelaza z węglem o zawartości na ogół >2%C przeznaczonym na odlewy. Otrzymuje się je przez przetopienie surówki odlewniczej z dodatkiem złomu żeliwnego i stalowego w żeliwiaku, piecu płomiennym albo elektrycznym łukowym lub indukcyjnym.

Żeliwa dzielimy na:

1) Białe - C w postaci cementytuFE3C

2) Szare - węgiel występuje w postaci grafitu płatkowego

- Połowiczne - węgiel w obu postaciach

- Sferoidalne - C w postaci grafitu kulkowego

- Ciągliwe - powstające na drodze wyżarzania grafityzującego żeliwa białego

- Stopowe- otrzymujemy poprzez długotrwałe wyżarzanie żeliwa białego.

Zawartość węgla (praktyczna 2,5-4,5%), szybkość chłodzenia mają znaczący wpływ na budowę i własności, żeliw. Im szybciej chłodzimy żeliwo tym łatwiej powstaje cementyt.

Żeliwa szare klasyfikujemy wg wytrzymałości na rozciąganie- oznacza się to np. ZL 100, czy ZL 350.gdzie cyfry oznaczają wartość podaną w Mpa. Żeliwa te bardzo dobrze tłumią drgania.

Żeliwa sferoidalne to stopy odlewane żelaza i węgla gdzie węgiel występuje w postaci grafitu sferoidalnego. Oznaczmy je w następujący sposób: np. Zs 700-2 , „700” oznacza wytrzymałość na rozciąganie Rm w Mpa, „2” oznacza minimalne wydłużenie w %.

Powinna być też uwzględniona udarność w niskich temp. „L”

Inne oznaczenia to np.: Zs 600-3, Zs 400-18, Zs 350-22

Żeliwa te posiadają odporność na rozciąganie, tłumią drgania i są bardziej plastyczne od żeliw szarych. Twardość HB 280-150.

Z materiału tego wykonujemy części maszyn pracujących w ekstremalnych warunkach i podwyższonych temperaturach. Będą to np.: wały korbione silników.

Żeliwa ciągliwe otrzymujemy na drodze wyżarzania grafityzujące

Żeliwo ciągliwe może być białe , czarne lub perlityczne.

Białe- ciągliwe posiada dla odlewów o małych przekrojach strukturę ferrytu (perlit + C żarzenia). O dużych przekrojach w strefie powierzchniowej występuje ferryt, w pośredniej perlit + C żarzenia, w środkowej perlit lub ferryt + C żarzenia. W mikrostrukturze nie powinien występować grafit płatkowy.

Żeliwo czarne i perlityczne ma osnowę mikrostruktury zbudowaną z ferrytu, perlityczne zaś perlitu lub innego produktu przemiany austenitu. Węgiel ma postać zwartą lub postrzępioną , brak grafitu płatkowego.

Żeliwa ciągliwe oznacza się :

W -białe B -czarne P -perlityczne

Np. W 35 -04 gdzie „35” oznacza wytrzymałość na rozciąganie w Mpa, a „04” min. wydłużenie w %

Przebieg doświadczenia

Obserwowaliśmy trzy próbki stali węglowych lub żeliw. Mikroskopy metalograficzne ustawiliśmy zgodnie z zalecanym powiększeniem tzn. M powiększenie całkowite = pow. obiektywu x pow. okularu. Kolejno obserwujemy próbki a obserwacje szkicowaliśmy w celu dalszej ich identyfikacji.

Próbka 1

Z identyfikacji wynika, że badana próbka to STAL 45 ULEPSZANA CIEPLNIE. Na próbce możemy zaobserwować jasne miejsca są to ziarna ferrytu, natomiast ciemne to perlit.

Próbka ta zawiera takie pierwiastki jak : C-0,47%; Si-0,21%; S-0,036%; Ni-0,022%;

Mn-0,62%; P-0,031%; Cr-0,24%; Cu-0,21%.

Próbka 2

Jest to STAL SZYBKOTNĄCA SW18 HARTOWANA Z PRZEGRZANIEM. Na próbce możemy zaobserwować ziarna martęzytu zwiększone wskutek przegrzania. Na granicach ziarn wydzielona jest eutektyka węglikowa oraz siatka węglików. Wewnątrz ziarn nierozpuszczalne węgliki pierwotne. Próbka ta zawiera takie pierwiastki jak: C-0,75%; Si-0,25%;

S-0,02%; Mn-0,36%; P-0,02%; Cr-4,1%; Ni-0,28%; .

Próbka 3

Jest to stal N13E WYŻAŻONA. Na próbce można zaobserwować jasne siatki cementytu drugorzędowego po granicach ziarn perlitu. Próbka ta zawiera takie pierwiastki jak: C-3,6%;

Si-0,16%; Mn-0,13; P-0,028%; S-0,016%; Cr-0,12%; Ni-0,16%; Cu-0,17%

WNIOSKI

Z przeprowadzonych obserwacji możemy dowiedzieć się czy interesujący nas materiał ma taki skład chemiczny jaki jest poprawny i czy nadaje się on do naszych celów. Zauważymy też wszelkiego rodzaju wady procesowe typy rysy czy zła obróbka. Możemy też stwierdzić jak zostały przeprowadzone procesy produkcyjne i czy jakość tego materiału jest odpowiednia. Badania te powinny dać nam informacje także o własnościach tego materiału związanych z obecnościami wszelkich zanieczyszczeń. Jak wiemy obecność niektórych pierwiastków, nawet w małej ilości, może diametralnie zmienić własności np. plastyczne w badanym materiale. Wtrącenia większych atomów pierwiastków może osłabić wytrzymałość stali i w konsekwencji jej nieprzydatność do ściśle określonych celów. Badania takie mogą zaoszczędzić nam dużo czasu jak i ograniczyć ewentualne koszty związane z powtórnym wykonaniem produktu, a nawet ochronić nas przed groźnymi następstwami.

Z obserwacji tych próbek (1,2,3) widać, że były one albo źle obrobione mechanicznie albo zniszczone w czasie badań gdyż obecne są rysy. Mogło to być spowodowane też niestarannością przechowywania próbek i niewłaściwym obchodzeniem się z nimi. Ewentualne przebarwienia na krańcach próbek mogą być spowodowane złym trawieniem lub niedokładnością jej przygotowania.

Przykłady doboru materiałów dla niektórych urządzeń i części maszyn

1) Zawór ssący dla silnika spalinowego dużej mocy, zawór wydechowy zwykłego silnika spalinowego-- X 45 Si Cr 93

2) Wał korbowy. Materiał wału korbowego powinny cechować odpowiednia wytrzymałość i udarność, odporność na zmęczenie oraz zdolność tłumienia drgań. Wały korbowe kute są wykonywane przeważnie ze stali węglowej wyższej jakości o zawartości 0,4—0,5% C. W przypadku większych obciążeń stosuje się znacznie droższe stale stopowe zawierające domieszki. Czopy główne i korbowe wałów korbowych wykonane są ze stali węglowej o zawartości węgla większej niż 0,4%, utwardzonej w drodze hartowania powierzchniowego.

3) Wały korbowe odlewane wykonuje się z żeliwa lub staliwa stopowego. W ostatnich latach stosuje się do tego celu żeliwo sferoidalne . Dzięki modyfikacjom magnezem w żeliwie sferoidalnym grafit występuje w postaci skupień sferoidalnych. Żeliwo to zawiera zwykle 3,4—3,8%C oraz dodatki stopowe takie jak krzem, mangan, nikiel oraz fosfor siarka. Właściwości wytrzymałościowe żeliwa sferoidalnego są zbliżone do stali. Ponadto ma ono dobre własności odlewnicze, lecz mają mniejsze zdolności tłumienia drgań niż żeliwa ciągliwe.

4) Wał korbowy, ulepszany cieplnie, o wytrzymałości 800N/mm2

5) Pierścienie tłokowe.

-uszczelniające, dla uzyskania odpowiedniej szczelności materiał pierścienia powinien być dostatecznie sprężysty, ponadto powinien mieć mały współczynnik tarcia oraz dostatecznie miękki, by nie ścierał zbyt intensywnie gładzi cylindrycznej.

-zagarniające, wykonane z taśmy stalowej.

Najlepszym materiałem na pierścienie tłokowe jest żeliwo o drobnoziarnistej strukturze perlityczno-sorbitycznej, w której równomiernie rozłożone są płytki grafitu. W celu poprawienia własności mechanicznych żeliwa przeznaczonego na pierścienie tłokowe dodaje się czsem do niego niewielkich ilości chromu, niklu lub molibdenu.

7) Średniej wielkości koła zębate w przekładniach, nawęglane i hartowane- 20 Mn Cr 5.

8) Resory pojazdow o wysokich wymaganiach, hartowane w oleju i odpuszczane- 50 CrV 4

Obliczenie ziarnistości stali przy powiększeniu 100x

m=8*2 G=9

m=4096 ilości ziarn w 1mm/pow.

1

2

---