Andrzej Kulig

II MDT

BADANIA MAKROSKOPOWE

Badania makroskopowe polegają na obserwacji powierzchni odpowiednio przygotowanej zgładów lub przełomów okiem nie uzbrojonym lub za pomocą lupy. Badania makroskopowe pozwalają określić ogólna budowę metalu oraz występujące wady materiałowe. Badania makroskopowe należy uważać za wstępne ponieważ ujawniają one makrostruktury, dlatego też powinny one być jeszcze uzupełnione w badania mikrostruktury. Badania te są badaniami niszczącymi, ponieważ trzeba je przeprowadzać na próbkach wyciętych z określonego, miejsca badanego obiektu.

Badania makroskopowe pozwalają stwierdzić:

- niejednorodności struktury,

- budowę demokrystaliczną,

- ślady jamy osadowej, pęknięcia ,

- przebieg włókien (jako wynik obróbki plastycznej),

- ślady zgniotu , wielkości ziarna, głębokość trawienia.

Podczas obserwacji przełomu na powierzchni można określić wielkość ziarna, ciągliwość materiału, stwierdzić obecność większych wtrąceń niemetalicznych lub innych wad. Ta metodą można badać powierzchnie przedmiotów, całe przekroje poprzeczne lub wycinki przekroju poprzecznego (odpowiednio dobrane).Niekiedy do badań wystarczy stan po równym obcięci lub z grubszym szlifowaniu próbki. Gdy powierzchnia wymaga większej gładkości stosuje się obróbkę papierem ściernym.

W celu wykryci makrostruktury, powierzchnie próbki poddaje się działaniu czynnikom trawnym. Skład tych czynników jest różnorodny i zależy przede wszystkim od rodzaju badanego materiału i sposobu oddziaływania na poszczególne składniki strukturalne. Ogólnie odczynniki te można podzielić na :

-odczynniki głębokiego trawienia np. odczynnik Jancewicza. Są to stężone roztwory kwasów nieorganicznych, którymi trawi się próbki, od kilku do kilkunastu godzin. Dla skrócenia czasu podgrzewa się roztwory do temp.100° C.

-czynniki powierzchniowego trawienia. Są to kwasy o małym stopniu trawienia zawierające dodatki różnych roli (przeważnie chlorki).Podczas trawienia np. odczynnikiem Oberhofflena żelazo wypiera z roztworu metal (w tym przypadku miedz), który osadza się na odpowiednich miejscach na powierzchni próbki i chroni ją przed dolnym trawieniem. Tego rodzaju próbki stosuje się do wykrywania segregacji fosforu, spoin oraz wykrywania odkształceń plastycznych w stali z nikłą zawartością fosforu.

Przykład:

Trawienia odczynnikiem Heyna.

Zgład po wyszlifowaniu trawi się odczynnikiem Heyna kilka minut. Na próbie pozostaje osad miedzi, którą usuwa się watą nawilżoną wodą lub amoniakiem. Miejsca zanieczyszczone fosforem barwią się na brunatno, bogato w węgiel na szaro.

Trawienie odczynnikiem Oberhoffena.

Przygotowanie i przebieg próby podobny jak przy stosowaniu odczynnika Hayna. Miejsca ubogie w fosfor są silnie trawione i ciemnieją, pozostałe miejsca są jasne i błyszczące. Po długotrwałym trawieniu stali kutej ujawnia się przebieg włókien.

Próba Baumana

Zgład szlifuje się i oczyszcza wygładzoną powierzchnie watą. Następnie przygotowuje się papier bromosrebrowy (fotograficzny).Papierem ten moczy się 5 minut w 5% roztworze

H₂SO₄(kwas siarkowy) i przesusza się go. Następnie na cześć papieru z emulsją przykłada się zgład i obciąża się. Po 2 do 10 minutach papier płucze się wodzie i utrwala w utrwalaczu fotograficznym(ok.5 minut). Po ponownym przepłukaniu papier suszy się. Na skutek działania kwasu siarkowego na siarczki żelaza , na papierze powstaje żółto-brunatny siarczek srebra obrazujący rozmieszczenie zagęszczeń siarki w próbie.

Reakcje przebiegające w czasie próby:

FeS+ H₂SO₄→FeSO₄+H ₂S

H ₂S+2AgBr → Ag ₂S+2HBr

Badanie ma na celu określenia stopnia zanieczyszczenia stali siarką.

Próby głębokiego trawienia.

Trawienia odczynnikiem Frq.

Przed wykonaniem zgładu zalecane jest wygrzanie w czasie 1h próbki w temperaturze 150-300°C. Wypolerowany zgład pociera się 2-3minuty watą zwilżoną odczynnikiem (trawiąc go) następne próbkę płucze się w 5% roztworze H ₂SO₄ i w wodzie. Po wysuszeniu w strumieniu powietrza ujawniają się zaatakowane przez odczynnik strefy, w których następuje przekroczenie granicy plastyczności (ciemne linie).

Trawienie odczynnikiem Adlera.

Badanie ujawnia wadę materiału -nieciągłości, oraz uwidacznia przebieg włókien po kuciu lub walcowaniu. Próbki przygotowuje się analogicznie jak próbkach płytkiego trawienia (szlifowanie, osuszanie). Stosowane odczynniki są bardziej silne i działają głąbiej.

Wykrycie wad jest ułatwione, ponieważ po długotrwałym trawieniu 1-24h (w temp. 60-100°C) wady są wyolbrzymione. Ujawniony przebieg włókien stwierdzić czy badany przedmiot podlegał obróbce plastycznej i czy układ włókien jest korzystny dla przyszłego obciążenia danego elementu.

Tabela odczynników wykorzystywanych do badań makroskopowych.

Odczynniki	Skład chemiczny	Zastosowanie
Heyna	Chemiczny 10g CuCl2,2NH4Cl ,2H2O 100cm^3,H2O dest.	Wykrywani zanieczyszczeń fosforem
Anczyca	2g.CuSO4,8H2O 8g.NH4Cl,100cm^3H2SO4 dest.	Wykrywani zanieczyszczeń fosforem
Oberhoffena	500cm^3, CHOH 500cm^3, H20 dest. 50cm^3,HCl c.właś.1,19g/cm^3 30g FeCl3 kryst 1g CuCl2 kryst 0,5gSnCl2 2H2O	Ujawnianie struktur pierwotnych, wykorzystywanie zanieczyszczeń fosforem
Roztwór wodny kwasu solnego	100cm^3HCl stężony 100cm^3H2O dest.	Głębokie trawienie
Jacewicza	76cm3 HCl steż. 24cm^3H2 SO4 100cm^3H2O4dest.	Głębokie trawienie
Roztwór wodny kwasu azotowego	50cm^3HNO3 150cm^3H2O dest.	Głębokie trawienie
Fry-makro	120cm^3HCl δ=1,19g/cm^3 100cm^3H2O dest. 20g CuCl2	Określanie skłonności stali do starzenia

Próba niebieskiego przełomu

Próbę tę najczęściej stosuje się dla stali krystalicznych, regularnych i stopowych przerobionych plastycznie. Celem przeprowadzenia próby jest ujawnienie wewnętrznych wad materiałowych. Badania przeprowadza się na próbce o wysokości H=20~40mm. Z ostrym karbem w płaszczyźnie przechodzącej przez oś przedmiotu. Próbkę nagrzewa się do temperatury ok.100-150°C wyżej od niebieskiego nalotu, a następnie chłodzi na powietrzu . W momencie osiągnięcia temp. Niebieskiego nalotu (obserwacja barw nalotowych po wyjęciu z pieca) próbkę łamie się(ok.300°C).

Po ostygnięciu próbki obserwacji poddaje się powierzchnie przełamu. W ten sposób można określić występowanie wytrąceń niemetalicznych. Ocena stopnia zanieczyszczenia stali wtrąceniami niemetalicznymi dokonuje się przez porównanie wtrąceń na próbce ze wzorcami rysunkowymi. Określa się:

-linie wtrąceń na próbce na powierzchni przełomu -5gr.(A1-A5)

-dł. Wtrąceń(B1-B5)

-Grubość wtrąceń (C1-C5)

-równomierność zanieczyszczeń (D1-D5)

-kontrastowość(E1-E3)

-rozmieszczenie wtrąceń samotnych(S1-S3)

Na takich powierzchniach można spotkać obecność różnych płatów (kolorowe plamy) pęknięć powstałych podczas obróbki stali na gorąco, przełomów kamienistych (widocznych granic ziaren)

Próba toczenia

Próba ta polega na zdejmowaniu warstwy materiału w procesie toczenia, podczas takiej próby można zauważyć różnego rodzaju nieciągłości materiału np. wewnątrz półwyrobu.

Próby o przekroju okrągłym toczy się a inne struga schodkowo. Tak przygotowane próbki obserwuje się gołym okiem lub w 5 krotnym powiększeniu. Ocenie podlega liczba nieciągłości oraz ich rozmiar.

Próba trawienia spoiny

Metoda ta służy do oględzin poprzecznego przekroju spoiny. Wyciętą próbkę spoiny szlifujemy na drobnoziarnistych papierach ściernych i następnie powierzchnie zgładu przeciera się wata nasączoną odczynnikiem Adlera.

Po ujawnieniu się obrazu spoiny zgład należy przepłukać w wodzie i następnie osuszyć. Ujawniają się wady w postaci pęcherzyków, wtrąceń niemetalicznych lub braku przetopu . Ponadto możemy określić stref wpływu ciepła, której rozmiary i kształt świadczą o poprawnym doborze warunków spawania.

BADANIA NIENISZCZĄCE

Badania nieniszczące są to takie badania w trakcie, których badany materiał nie ulega zniszczeniu. Są one bardziej wiarygodne od badań niszczących, dzięki nim możemy badać gotowe produkty jak i również już materiały eksploatowane. Takie badania pozwalają na ciągłą kontrole (np. na taśmie produkcyjnej) i usuwanie, naprawianie powstałych wad, czasem nawet przed opuszczenie hali produkcyjnej. Po za tym badania nieniszczące często wykorzystuje się do sprawdzania stanu technicznego i zniszczeń materiałów, urządzeń już dłuższy czas działających takich jak szyn kolejowych, lin nośnych wind, kolejek linowych mostów itd. W badaniach takich wykorzystuje się zjawiska fizyczne typu:

-różnego rodzaju promieniowanie o dużej przenikliwości,

-ruch ośrodka,

-przenoszenia energii.

Do najczęściej wykorzystywanych badań nieniszczących należą badania:

-ultradźwiękowe,

a)metoda echa,

b)metoda cienia,

-radiograficzne,

a)fluorescencja (obserwacja bezpośrednia),

b)zdjęcia rentgenowskie(obserwacja pośrednia)

-magnetyczne,

a)metoda proszkowa

b)metoda magnetograficzna

c)metoda fluksonetryczna

-penetracyjne

a)metoda barwna

b)metoda fluorescencyjna.

-szczelności.

Czasami posługuje się badaniami akustycznymi, holografią, metodą tarcia wewnętrznego oraz prądami wirowymi.

Ponieważ aby otrzymać informacje najbardziej miarodajne często jest konieczność stosowania więcej niż dwóch metod badania.

Celem takich badań jest:

-wykrycie wewnętrznych i powierzchniowych wad mikro i makroskopowych.

-Ilościowej oceny właściwości materiałów i wyrobów,

-pomiaru wielkości geometrycznych,

-i wykrywania wad podczas eksploatacji.

Do podstawowych wad można zaliczyć:

- wszelkiego rodzaju niejednorodności i nieciągłości w postaci pęknięć,

- pęcherzyków powietrza, obcych wtrąceń, zawalcowań, segregacji składu chemicznego,

- niejednorodności mikrostruktur (rozmiary ziarn),

- odchyleń wskaźników właściwości mechanicznych,

- odchyleń kształtów i wymiarów wywołanych obróbka cieplną,

2.Badania ultradźwiękowe.

Ultradźwięki - drgania mechaniczne o częstotliwości przekraczającej 20kHz. Fale te rozchodzą się w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych, rozchodzą się one prostoliniowo, odbijają się od granic ośrodków, załamują się i uginają na przeszkodach, ulegają interferencji oraz wytłumieniu(pochłanianie i rozpraszanie).

Dzięki tym właściwościom używa się je do badania jednorodności materiałów (wykrywania wad wewnętrznych i powierzchniowych).

Fale ultradźwiękowe mają zastosowanie również przy:

-wyznaczaniu stałych materiałowych i parametrów mikrostruktury.

-badania procesów pełzania zmęczenia odkształceń

-badania wad struktury krystalicznej.

Powyższe zastosowania mają związek ze stałymi zależnościami pomiędzy parametrami rozchodzenia się fal ultradźwiękowych (prędkości tłumienia) a właściwościami fizycznymi poszczególnych materiałów.

Metoda echa polega na wysyłaniu fali ultradźwiękowej i jej odbiciu od powierzchni zewnętrznych materiałów badanego powierzchni ewentualnych nieciągłości (fala ultradźwiękowa odbija się od granic między ośrodkami o różnej gęstości).Fala ultradźwiękowa nadawana jest impulsowo przez przetwornik. Impuls rozchodzący, jak i impuls wychodzący widoczny jest na oscyloskopie podłączonym do głowicy nadawczej i odbiorczej. W razie wystąpienia wady pojawia się trzeci impuls lub zanika impuls odbity od granicy próbki (przy dużej wadzie fala zostaje rozproszona). Znając odległości między impulsem wejściowym, a odbitym od wady, można określić głębokość położenia nieciągłości.

Metoda cienia - stosuje się dwie głowice: nadawczą i odbiorczą umieszczone po przeciwnych stronach badanego obiektu. Fale nadawane, jaki odebrane przedstawione są w postaci impulsu na jednym ekranie oscyloskopu. Gdy w badanym obiekcie nie występują żadne wady fala wychodząca zostaje osłabiona lub całkowicie rozproszona. Ta metoda można określić położenie wady tylko w jednej płaszczyźnie przestrzeni.

3. Badanie radiograficzne.

Polega na prześwietleniu promieniowaniem elektromagnetycznym badanego przedmiotu i obserwacji jego struktur za pomocą detektorów promieniowania(błony fotograficzne lub ekran fluorescencyjny) umieszczony po przeciwnej stronie. Istota badania polega na wykorzystaniu dużej przenikliwości promieniowania rentgenowskiego lub {} gama oraz zjawisk fizycznych towarzyszących przejściu promieni przez badany materiał takich jak: dyfrakcja, interferencja i absorpcji. Szczególnie ważna jest zdolność pochłaniania promieniowania przez materiały w zależności od ich jednorodności i gęstości (liczby atomowej pierwiastków).Stosowane w detektoskopii promienie X są wytwarzane w lampach rentgenowskich. Skuteczność promieniowania zależy od długości wyemitowanego promieniowania X. Im większe napięci miedzy elektrodami lampy tym długość fali jest mniejsza, co z kolei wiąże się z większą przenikliwością. Stosuje się filtry fal długich (promieniowanie miękkie,)aby wyodrębnić fale krótkie(promieniowanie twarde) i w ten sposób poprawić jakość radiogramów. Obserwację lub utrwalanie wyników prześwietlania prowadzi się badanych przedmiotów prowadzi się wykorzystując zjawiska oddziaływania promieni X na materiały fluorescencyjne (obserwacja bezpośrednia) lub specjalne błony fotograficzne (rentgenogramy) Zaczernienie błony jest proporcjonalne do natężenia i czasu naświetlania. Miejsca o dużej przenikliwości (pęcherz, ubytki, wolne przestrzenie) pozostają miejsca ciemniejsze, a miejsca o mniejszej ciemności (zagęszczenia materiału)-obszary jaśniejsze. Do ustalenia optymalnych warunków oświetlenia służą tabele i wykresy napromieniowania.. Przyjmuje się, że rentgenograficzną są wykrywane różnice w grubości materiału już od 1,5% grubości obiektu (pęcherze gazowe, nie dolania).Natomiast wtrącenia pochłaniające promieniowanie są wykrywane od 2% grubości wyrobu. Naturalnie pierwiastki promieniotwórcze występują w bardzo nikłych ilościach. Możliwości stosowania promieni {} · wzrosły od czasu otrzymania sztucznych izotopów promieniotwórczych. Największe zastosowanie maja izotopy:, Co ,Ir ,Tm (tul), Cs (cec).

Schemat budowy lampy rentgenowskiej.

4.Badania magnetyczne.

W badaniu magnetycznym wykorzystuje się zjawisko oddziaływania pola magnetycznego na materiały ferromagnetyczne, jego rozproszenie oraz powstanie magnetyzmu szczątkowego Do wykrywania wad stosuje się rozproszenie magnetyczne wokół wad powierzchniowych i podpowierzchniowych w materiałach ferromagnetycznych. W zależności od sposobu ujawniania pola rozproszenia rozróżnia się metody:

- proszkową,

- magnetyczną,

- fluksometryczną.

Metodę proszkową stosuje się do wykrywania wad, takich jak pęknięcia zmęczeniowe, hartownie, szlifierskie, rysy o wymiarach rzędu 0,1 m oraz wad podpowierzchniowych jak: pory pęcherze i różnego rodzaju wtrącenia leżące na głębokości 3-5mm. Błędami metod proszkowych wskazania tzw. wad pozornych powstających w skutek gwałtownych zmian pola magnetycznego, rozproszenia pola magnetycznego na ostrych krawędziach lub jako pozostałość magnetyczna z wcześniejszego badania. Badanie przeprowadzamy przez: -przygotowanie przedmiotu (odtłuszczenie, usunięcie farby i rdzy),

-magnesowanie (magnesami trwałymi, elektromagnesami, po przez przepuszczanie prądu przez badany przedmiot), - naniesienie proszku metoda ruchu - rozpylenie, metoda mokra polewanie zawiesiną proszku 0 - najczęściej Fe O - magnetyt. Obserwacja powierzchni i ocena wad prowadzona przy dobrym oświetleniu, zwracając uwagę na miejsca o zamkniętym przekroju. Wady powierzchniowe dają ostry, ściśle przylegający do powierzchni układ proszku. W przypadku wad pod powierzchniowych układ jest szerszy i ma rozmyte kontury, co powiększa się z głębokością wad.

Metoda magnetograficzna wykorzystuje identyczne zjawiska jak metoda proszkowa, z tą różnicą, że do badanego przedmiotu przykłada się taśmę magnetyczną (lub gumową pokrytą cząstkami magnetycznymi). Na taśmie w miejscu występowania wad (rozproszone pole magnetyczne) zostanie zarejestrowane pole magnetyczne pole magnetyczne, które następnie odczytuje się specjalna głowicą.Sygnał z głowicy można zarejestrować graficznie i przekazywać do znaczników na badanym przedmiocie. Zaleta tej metody jest możliwość prowadzenia badań w sposób ciągły i przy dużej dokładności i wykrywalności wad.

Metoda fluksometryczna - umożliwia pomiar rozproszonego strumienia magnetycznego i może być wykorzystana do kontroli jakości materiałów, pomiar własności geometrycznych, wykrywanie domieszek ferromagnetycznych w nieferromagnetykach. Do badania wykorzystuje się sądy hallotronowe. Tą metodę bada się jakości rur, szyn w torowiskach, lin i urządzeń wyciągowych.

5. Badania penetracyjne

Służą do wykrywania nieciągłości powierzchniowych 9lub pod powierzchniowych mających połączenia z powierzchnią)w wyrobach metalowych, ceramicznych, tworzyw sztucznych i szkła. Wykrywane wady to: pęknięcia odlewnicze, szlifierskie, pory, rozwarstwienia, wtrącenia nie metaliczne, pęknięcia zmęczeniowe. W badaniach tych wykorzystuje się zjawiska wnikania cieczy w otwarte szczeliny. Istotne w badaniu · jest uzyskanie kontrastu wskaźnika z badaną powierzchnią. W metodzie barwnej ma zastosowanie czerwona ciecz (penetrant) oraz biała wywoływacz. Badanie zaczynamy od czyszczenia próbki, odtłuszczania i nanoszenia penetratora, którego nadmiar później usuwamy. Następnie nanosimy emulator i usuwamy go wraz z penetratorem z powierzchni i nanosimy wywoływacz. W miejscach gdzie pod warstwą wywoławcza występuje szczelina(wypełniona, penetratorem)ukaże się czerwone wskazanie. Ta metodą wykrywa się wady o rozmiarach do 1 mikrometra.

Do metody fluorescencyjnej wykorzystuje się substancje świecące w świetle ultrafioletowym( proszki fluoroscencyjne o wysokiej mikroskopijności ). Badanie rozpoczyna się od oczyszczenia parą i odtłuszczenia. Następnie nanosimy roztwór wnikający w szczeliny (benzyna, nafta, olej) i po ok.15 min. osuszamy powierzchnie. Nanosimy proszek, który nasiąknie w miejscach nieciągłości i usuwamy jego nadmiar. Obraz wad obserwujemy w świetle ultrafioletowym. Rysunek, który nasiąknął nie został w pełni usunięty i widzimy jego świecenie. Ta metoda ujawnia wady o szerokości powyżej 5 mikrometrów.

1

---