Badanie mikroskopowe metali

1. Opis metody mikroskopowej badania materiałów oraz przedstawiona na schemacie zasada działania mikroskopu metalograficznego

1.1 Cel ćwiczenia

Metalograficzne badania mikroskopowe polegają na obserwacji odpowiednio przygotowanych powierzchni próbek metalu za pomocą mikroskopu metalograficznego, pod powiększeniami 50x-2500x. Obserwacje te przeprowadza się zarówno na próbkach nietrawionych, jak i trawionych specjalnymi odczynnikami. W pierwszym przypadku badania mikroskopowe mają na celu określenie ilości i rozmieszczenia wszelkiego rodzaju wtrąceń niemetalicznych, wykrycie drobnych pęcherzy gazowych, mikropęknięć itp. Obserwacje próbek trawionych pozwalają zidentyfikować strukturę metalu (rodzaj i ilość poszczególnych faz), kształt i wielkość ziaren, grubość i jakość powłok metalicznych itd. Do badań metalograficznych stosuje się próbki różnej wielkości, zależnie od wymiarów badanego przedmiotu. Małe przedmioty bada się w ten sposób by były one możliwie reprezentatywne. Celem badań mikroskopowych jest określenie czystości, jednorodności i wielkości ziarna przy jednoczesnym ujawnieniu wad mikrostruktury (mikropęknięcia) badanego materiału.

1.2 Zasada działania mikroskopu metalograficznego.

Na laboratorium podstawowym narzędziem z jakiego korzystałem do badania próbek metali był mikroskop metalograficzny. Jest to mikroskop różniący się od „zwykłych” mikroskopów biologicznych. Korzysta on bowiem z własnego, bardzo mocnego światła, które oświetla badaną próbkę

Lampa żarowa o gęstym uzwojeniu stwarza punktowe źródło światła, soczewki kondensorowe wytwarzają równoległe wiązkę promieni świetlnych o dużej intensywności. Przesłona przepuszcza środkową część wiązki promieni zatrzymując promienie zewnętrzne powodujące błędy optyczne. Zmniejszenie przesłony aperturowej zmniejsza ilość światła biorącego udział w powstawaniu obrazu, ale jednocześnie powoduje wyostrzenie obrazu.

Oświetlacze metalograficzne bywają w zasadzie trzech typów. Wyróżniamy dwa typy oświetlaczy do światła prostopadłego, padającego prostopadle na szlif i jeden do światła padającego ukośnie na szlif (tzw. oświetlacz ciemnego pola). Każdy mikroskop metalograficzny ma możliwość łatwej wymiany oświetlaczy. Zastosowanie poszczególnych oświetlaczy dostosowuje się do charakteru badań i rodzaju struktury.

2. Badanie mikroskopowe stali

2.1 Klasyfikacje stali

Stal - jest to stop żelaza z węglem (ewentualnie z innymi pierwiastkami) o zawartości węgla do 2%, manganu do 0,8%, krzemu 0,5%, niklu, wolframu, chromu, miedzi 0,3%, aluminium 0,1%.

Stale zgodnie z polską normą klasyfikuje się według składu chemicznego oraz wg własności i zastosowania. Najogólniej stale dzielimy na :

1. Stale węglowe, gdzie zawartość składników stopowych wynosi maksymalnie: Mn-0,8%, Si-0,4%, Ni-0,3%, Cr-0,3%, Cu-0,2%, a zawartość fosforu i siarki określają normy dla poszczególnych gatunków stali. Stale węglowe dzielimy na:

1. Niskowęglowe - o zawartości węgla do 0,25%

2. Średniowęglowe - o zawartości węgla od 0,25% do 0,6%

3. Wysokowęglowe - o zawartości węgla od 0,6% do 1,5%

2. Stale stopowe, w których zawartość składników stopowych przekracza ilości podane dla stali węglowych.

Według podstawowego zastosowania stale dzielimy na:

1. Konstrukcyjne,

2. Narzędziowe,

3. O szczególnych własnościach.

Według czystości określanej maksymalną zawartością siarki i fosforu rozróżniamy trzy klasy stali: stale zwykłej jakości, stale wyższej jakości i stale najwyższej jakości.

Według szczegółowego przeznaczenia w poszczególnych grupach lub dla poszczególnych stali często dodaje się dodatkowe określenia dotyczące:

1. Własności jak miękkie lub twarde magnetycznie, nierdzewne, kwasoodporne,

2. Składników stopowych jak: chromowe, molibdenowe, chromoniklowe i inne,

3. Sposobu wytwarzania jak: konwertorowe, martenowskie, elektryczne, kwaśne
   i zasadowe

2.2 Przykłady oznaczeń dla poszczególnych grup stali

a)Stale węglowe konstrukcyjne

Znak stali węglowej konstrukcyjnej wyższej jakości składa się z dwucyfrowej liczby określającej średnią zawartość węgla w setnych %. Na końcu często dodaje się literę która uzupełnia znak. W tym przypadku oznaczają one:

G - stal uspokojona z zawartością krzemu od 0,17 do 0,37 %, o podwyższonej zawartości manganu

X - stal uspokojona z maksymalną zawartością krzemu do 0,07%

Y - stal półuspokojona z zawartością krzemu od 0,05 do 0,17%

U - stal uspokojona z zawartością krzemu od 0,17 do 0,37%, z wymaganą wysoką udarnością

b)Stale stopowe konstrukcyjne

Najczęściej znak stali stopowej konstrukcyjnej zawiera średnią zawartość węgla oraz ważniejsze składniki stopowe z podaniem przybliżonej ich zawartości.W powyższych stalach obowiązuje symbolika:

G - mangan

S - krzem

H - chrom

N - nikiel

M - molibden

F - wanad

W - wolfram

K - kobalt

T - tytan

J - aluminium

Litera A podana na końcu znaku oznacza podwyższoną jakość stali.

c)Stale konstrukcyjne specjalnego przeznaczenia

Najczęściej są to stale bardzo zbliżone składem chemicznym do konstrukcyjnych, a oznaczenia ich są powiększone o dodatkowe litery, które oznaczają:

P - dla hutnictwa

A - automatowa

R - drobnoziarnista

N - na nity

K - na blachy

D - na druty

Z - zgrzewalne ogniowo

E - zgrzewalne elektrycznie

2.3 Przebadane próbki stali

Na zajęciach rozpoznałem jedna próbkę stali o nr 3.3 (przy powiększeniu 400x)jako stal łożyskową ŁH15 wg PN/H-84041. Pod mikroskopem wyraźnie było widać sferoid i cementyt kulkowy.

Stan stali: wyżarzona

Skład chemiczny: C-0,95-1,10% , Mn-0,25-0,45%, Si-0,15-0,35%, Cr-1,3-1,35%, S-0,02%, P-0,027%.

Cechy charakterystyczne: stal wysokiej jakości, wytwarzana w szczególnie ścisłym reżimie technologicznym, wąska i ściśle utrzymywana tolerancja składników stopowych i zanieczyszczeń.

Zastosowanie: łożyska toczne;

3. Badanie mikroskopowe żeliw

3.1 Klasyfikacja żeliw

Żeliwo - jest to stop żelaza, otrzymany w drodze przetopienia surówki, zawierający ponad 2,5÷4,5% C oraz inne składniki, z których krzem, mangan, fosfor i siarka są zawsze obecne. Węgiel w żeliwach może występować w dwóch postaciach:

1. w stanie wolnym jako grafit

2. w postaci związanej jako cementyt.

Grafit w żeliwie może występować w trzech postaciach jako:

1. grafit płatkowy, o kształcie żyłek lub pasemek (żeliwo szare)

2. grafit sferoidalny, o kształcie kulistym (żeliwo sferoidalne)

3. grafit kłaczkowaty o kształcie zwartym, lecz nie kulkowym (żeliwo ciągliwe)

Żeliwo szare zwykłe klasyfikuje się (według PN-EN 1562:2000) w dwóch grupach: według wytrzymałości na rozciąganie lub według twardości. Oznacza się je literami EN-GJL, następnie po znaku pauzy liczbą, odpowiadającą minimalnej wytrzymałości na rozciąganie w MPa próbek z oddzielnie odlewanych wlewków próbnych (np. EN-GJL-100), lub (w drugiej grupie) po znaku pauzy literami HB i liczbą, odpowiadającą maksymalnej wartości twardości Binella (np. EN-GJL-HB175). Żeliwa szare zwykłe cechuje dobra zdolność do tłumienia drgań, co decyduje o ich zastosowaniu.

Żeliwo sferoidalne oznacza się (według PN-EN 1562:2000) literami EN-GJS, następnie po znaku pauzy cyframi odpowiadającymi minimalnej wytrzymałości na rozciąganie w MPa i po kolejnej pauzie - cyframi odpowiadającymi minimalnemu wydłużeniu w %; własności te są określane na próbkach odlewanych oddzielnie lub przylanych do odlewu, np. EN-GJS-400-18, EN-GJS-600-3. Żeliwa sferoidalne stosowane są między innymi na wały korbowe, koła zębate, walce, pierścienie tłokowe, rury.

Żeliwo białe ze względu na zawartość węgla dzielą się na: podeutektyczne, eutektyczne i nadeutektyczne:

1. podeutektyczne (o zawartości węgla poniżej 4,3% C), składa się z perlitu, cementytu i ledeburytu przemienionego.

2. eutektyczne (o zawartośći 4,3% C) w temperaturze 1147ႰC składa się z ledeburytu, a w temperaturze pokojowej - z ledeburytu przemienionego.

3. nadeutektyczne (zawierające ponad 4,3% C) składa się w temperaturze 1147ႰC z ledeburytu i cementytu pierwszorzędowego (pierwotnego) krystalizującego w postaci grubych igieł, w temperaturze pokojowej - z ledeburytu przemienionego i cementytu pierwotnego.

Żeliwa białe, jako materiał konstrukcyjny, prawie nie mają bezpośredniego zastosowania technicznego, są natomiast materiałem wyjściowym przy wytwarzaniu przedmiotów z żeliwa ciągłego.

Żeliwo ciągliwe według PN-EN 1562:2000 oznacza się ciągiem liter EN-GJM zakończonym literą W lub B odpowiednio dla żeliwa ciągliwego białego lub czarnego. Znak uzupełniają po pauzie trzy cyfry odpowiadające minimalnej wytrzymałości na rozciąganie Rm, wyrażonej w MPa, a po następnej pauzie cyfry odpowiadające minimalnemu wydłużeniu w %, np. EN-GJMW-360-12, EN-GJMB-450-6. Żeliwa ciągliwe stosowane są między innymi w przemysłach: górniczym, samochodowym, ciągnikowym, rolniczym, do wytwarzania licznych, drobnych elementów maszyn.

Żeliwami stopowymi nazywa się żeliwa zawierające dodatkowo wprowadzone pierwiastki takie jak: nikiel, chrom, molibden, aluminium, tytan, wanad, miedź, antymon lub zwiększone ilości krzemu i manganu. W związku z tym noszą one nazwy odpowiednio żeliw niklowych, chromowych, molibdenowych, itd. Zawartości składników stopowych w poszczególnych gatunkach żeliw wahają się w bardzo szerokich granicach, toteż ich własności i zastosowanie są bardzo różne.

Znormalizowane są następujące rodzaje żeliw:

1. niklowe

2. chromowe

3. molibdenowe

4. aluminiowe

5. tytanowe

6. wanadowe

7. miedziowe

8. antymonowe

9. manganowe

10. krzemowe

3.2 Przebadane próbki żeliw

Na zajęciach przebadałem dwie próbki żeliw o nr 1.1 i 1.5. Pierwsza z nich (nr 1.1) rozpoznałem jako surówkę nadeutektyczną. Pod mikroskopem wyraźnie było widać jasne igły cementytu pierwszorzędowego na tle przemienionego ledeburytu;

Stan żeliwa: odlew;

Skład chemiczny: C-5.10%; Mn-0.90%; P-0.25%; Si-3.71%; S-0.02%;

Cechy charakterystyczne: uznawane za żeliwo niższej jakości, jest mniej ciągliwe, gorzej obrabialne i charakteryzuje się nie najlepszą lejnością. Jest to żeliwo kruche i nieobrabialne, nie nadaje się na części konstrukcyjne;

Zastosowanie: . jest materiałem wyjściowym do otrzymywania żeliwa ciągliwego;

Drugą przebadana przeze mnie próbka (nr1.5) było żeliwo sferoidalne ferrytyczne ZsF10 wg PN/H-83123. Wyraźnie widoczna struktura zbudowana jest z grafitu kulkowego na tle ferrytu;

Stan żeliwa: odlew;

Skład chemiczny: C-3.6%; S-1.8%; Mn-0.6%; P-0.15%; S-0.04%;

Cechy charakterystyczne: dobre własności wytrzymałościowe, może ulegać odkształceniu bez uszkodzeń, odporne na ściskanie i zginanie i wysokie ciśnienia;

Zastosowanie: wały korbowe, koła zębate, walce, pierścienie tłokowe, rury;

4. Badanie mikroskopowe stopów metali kolorowych

4.1 Klasyfikacja stopów metali kolorowych i ich oznaczenia

Metale kolorowe - ogólna nazwa metali i stopów metali nieżelaznych (nie zawierających żelaza). Do metali kolorowych zalicza się m.in.: miedź, cynk, cynę, ołów, a do stopów: aluminium, mosiądz i brąz. Są to ciała o charakterystycznym połysku, są dobrymi przewodnikami cieplnymi i elektrycznymi.

Aluminium i jego stopy

Aluminium otrzymuje się za pomocą metod elektrometalurgicznych, a oczyszczanie jego przeprowadza się również tymi samymi metodami. W przemysłowej produkcji rozróżnia się aluminium hutnicze i rafinowane. Aluminium jest trzy razy lżejsze od miedzi. Zarówno czyste aluminium, jak i jego stopy, pomimo dużej podatności do reakcji chemicznych, znalazły zastosowanie przemysłowe jako materiały odporne na korozję. Jest to spowodowane samorzutnym powstawaniem w krótkim czasie cienkiej, lecz szczelnie i silnie przylegającej do materiału oraz nierozpuszczalnej w wodzie, warstewki tlenku glinu, która jest doskonałą powłoką zabezpieczającą przed korozją. Wielkie zastosowanie aluminium wynika z jego małego ciężaru właściwego, dużej plastyczności i odporności na korozję mimo małej wytrzymałości, którą można zwiększyć za pomocą przeróbki plastycznej lub stosując jego stopy. Głównymi składnikami stopów aluminium są: miedź, krzem, magnez, cynk, i mangan. Mniej ważnymi dodatkami stopowymi: nikiel, żelazo, chrom, kobalt i tytan a w specjalnych przypadkach (nowe stopy łożyskowe) stosuje się jeszcze ołów i cynę. Wyżej wymienione pierwiastki tworzą z aluminium twarde i kruche fazy międzymetaliczne, ponadto powstają jeszcze gazy utworzone z samych dodatków stopowych. Miedź obniża skurcz odlewów, a Mg i Mn podwyższają własności mechaniczne i zwiększają odporność na korozję, szczególnie na działanie wody morskiej.

Do najważniejszych stopów aluminium zaliczamy:

• Durale - stopy do przeróbki plastycznej aluminium z manganem, miedzią i innymi pierwiastkami, np.: na konstrukcje lotnicze.

• Siluminy - stopy odlewnicze aluminium z krzemem. Posiadają bardzo dobrą lejność, mały skurcz odlewniczy, małą skłonność do pęknięć na gorąco oraz mały współczynnik rozszerzalności liniowej. Są odporne na korozję.

Miedź i jej stopy

Najpopularniejszym metalem kolorowym jest miedź, która ze względu na bardzo wysoką przewodność elektryczną i cieplną znalazła szerokie zastosowanie w elektrotechnice i elektryce.

Ma ona budowę krystaliczną o układzie regularnym płaskocentrycznym. Jest ona materiałem o dobrej plastyczności. Daje się łatwo spawać, lutować i zgrzewać. Łatwo poddaje się obróbce plastycznej na zimno i na gorąco. Silnie na nią oddziałują: chlor, chlorek żelaza, amonu, siarkowodór, acetylen, chlorek wapnia, a także aluminium. Otrzymywana jest za pomocą procesów ogniowych stosowanych w pirometalurgii. Jednak taka miedź jest silnie zanieczyszczona i z tego powodu podaje się ją rafinacji ogniowej lub elektrolitycznej. Miedź elektrolityczną czasami rafinuje się dodatkowo w próżni. W wilgotnym powietrzu pokrywa się ona warstwą (patyny), która jest zasadowym węglanem miedzi -
, chroniącym miedź przed dalszą korozją. W ten sposób miedź jest stosunkowo odporna na korozję atmosferyczną.

Mosiądz- stopy miedzi z cynkiem.

Jednym z najważniejszych układów podwójnych miedzi są jej stopy z cynkiem, które noszą nazwę mosiądzów.

Składnikami struktur w poniższym układzie są:

• Faza α - roztwór stały cynku w miedzi. Rozpuszczalność cynku do 39% do temperaturze 453° jest stała, a w temperaturze 905° maleje do 32%. Obszar α jest obszarem największego zastosowania technicznego.

• Faza β - roztwór stały na osnowie związku międzymetalicznego CuZn o wiązaniu elektronowym

• Faza β′ - roztwór stały miedzi w związku CuZn (uporządkowany).

• Faza γ - roztwór stały miedzi w związku Cu
  Zn
  , o sieci sześciennej zwartej, graniczna temperatura uporządkowania do 270°C.

• Faza γ′ - roztwór stały miedzi w związku Cu
  Zn
  (uporządkowany).

Techniczne zastosowanie mają mosiądze z zakresu α i α+β nie przekraczające 45% cynku. Mosiądze wykazują dużą podatność do obróbki plastycznej. Zakres maksymalnej plastyczności jest w obszarze 15÷30% cynku.

Mosiądze o zawartości cynku 32÷40% są mniej plastyczne, możliwe jest jeszcze walcowanie. W zakresie α+β przeróbka plastyczna powinna się odbywać na gorąco w temp. 780÷820°C. Następnie zalecane jest wyżarzanie rekrystalizujące (700÷770°C).

Brązy.

Stopy miedzi z innymi pierwiastkami niż cynk, nazywamy brązami. Należą do nich przede wszystkim układy Cu-n, Cu-Al, Cu-Si, Cu-Mn, Cu-Ni, Cu-Pb, Cu-Be.

W większości przypadków brązy zawierają dalsze składniki stopowe jak: Zn, Sn, Pb, Ni, P, Si, Mn, Al., Fe.

Jednym z najstarszych i najbardziej rozpowszechnionym brązem jest układ podwójny miedź - cyna, nazywamy go brązem cynowym. Praktyczne zastosowanie znalazły stopy o zawartości cyny 3÷32%, przy czym stopy do przeróbki plastycznej stosuje się o zawartości cyny 3÷10%, a na odlewy stosujemy składy 10÷32% cyny.

4.2 Oznaczenia metali kolorowych

Według Polskich Norm stopy metali nieżelaznych oznacza się symbolami chemicznymi i liczbami całkowitymi, wyrażającymi procentową zawartość składników podstawowych. Składnik zasadniczy, którego jest najwięcej, umieszczamy na początku bez podawania liczby określającej zawartość procentową. Na przykład CuSn10Pb10 jest znakiem stopu zawierającego 80% Cu, 10% Sn i 10% Pb. Oczywiste jest, że dopuszczalne są pewne tolerancje w składzie procentowym oraz domieszki lub zanieczyszczenia. Podobnie według Polskich Norm metale nieżelazne opisujemy znakiem składającym się z symbolu chemicznego i liczby wyrażającej najmniejszą zawartość procentową danego pierwiastka w metalu, na przykład Cu 99,9 oznacza metal zawierający 99.9% czystej miedzi.

4.3 Przebadane próbki metali kolorowych

Na zajęciach przebadałem jedna próbkę, o numerze 6.0, którą rozpoznałem jako Silumin nie modyfikowany, cecha AK9, znak AlSi9 wg PN/H - 88027. Według nowych norm: PN - EN 1676. Pod mikroskopem widziałem duże, jasne kryształy roztworu stałego granicznego krzemu w aluminium na tle gruboziarnistej eutektyki złożonej z kryształów roztworu stałego i kryształów krzemu.

Stan metalu: odlew;

Skład chemiczny: Si - 9,2%, Mg - 0,22%, Mn - 0,42%, Fe - 0,52%, Al - reszta;

Cechy charakterystyczne: bardzo dobre właściwości odlewnicze, tzn. dobrą lejność, mały skurcz, dokładnie wypełniają formę, tworzą skoncentrowaną jamę usadową i nie wykazują skłonności do pękania. Dodatki stopowe, takie jak magnez i miedz zwiększają wytrzymałość, nikiel poprawia odporność korozyjną stopu.

Zastosowanie: stosowany jest w mniej odpowiedzialnych konstrukcjach, gdzie wymagane są elementy o skomplikowanym kształcie np. w elektronice.

---