Sprawozdanie z ćwiczenia

Badania makroskopowe stali

Jakub Skowron

WIMiR

grupa 15

zespół 3

Występowanie siarki w stalach jest zjawiskiem wysoce niepożądanym. Mimo przeprowadzania procesów mających na celu eliminację siarki ze stali pozostaje jej zwykle ok. 0,05%, a w stalach o wysokiej jakości w granicach 0,02% - 0,03%. Większość ważniejszych własności stali zawierającej siarkę odczytać można z układu faz równowagi.

Fosfor dostaje się do stali z rudy. W pierwszych procesach obróbki stali nie był on usuwany i jego zawartość była dość duża (0,07 - 0,12%). W piecach zasadowych jego zawartość można zmniejszyć do 0,02%. Niekiedy do stali wprowadza się celowo większe ilości fosforu w celu zwiększenia kruchości wióra w stalach automatowych i polepszenia skrawalności. Fosfor rozpuszcza się w żelazie do 2,8%, natomiast przy większej zawartości tworzy związek Fe₃P (fosforek żelaza) który jest składnikiem żelaza.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest dokonanie badania makroskopowego (za pomocą nieuzbrojonego oka lub za pomocą lupy powiększającej kilkakrotnie) stali i wykrywanie w niej zawartości siarki i fosforu.

Wiadomości podstawowe

Przy badaniach wygładzonej powierzchni tok postępowania jest następujący:

1. pobranie próbek ich przygotowanie,

2. wytrawienie odpowiednimi odczynnikami i przeprowadzenie obserwacji.

Ad a) Podstawowym warunkiem uzyskania prawidłowych wyników jest pobranie próbek w odpowiednich miejscach. Sposób pobrania próbek nie powinien wpływać na wyniki prób, a sposób wykonania prób powinien odpowiadać ściśle przepisom. Próbki po pobraniu wyrównuje się wstępnie za pomocą pilnika lub tarczy szlifierskiej I szlifuje na papierach lub płótnach szlifierskich o coraz drobniejszym ziarnie.

Szlifowanie wykonuje się mechanicznie lub ręcznie, rozpoczynając od papieru o najgrubszym ziarnie. Przy przejściu z papieru o większym ziarnie na papier o ziarnie drobniejszym należy zmienić kierunek szlifowania o kąt 90º. Szlifowanie na papierze jednego rodzaju powinno trwać tak długo, aż znikną rysy powstałe przy szlifowaniu na poprzednim papierze (o grubszym ziarnie).

Ad b) odczynniki stosowane do badań makroskopowych ze względu na zastosowanie możemy podzielić na odczynniki służące do: wykrywania rozmieszczenia siarki, fosforu, głębokiego trawienia, badania spoin, ujawniania odkształceń plastycznych itp.

Na wyniki badań mają wpływ następujące czynniki:

1. jakość wytrawionej powierzchni,

2. skład chemiczny odczynnika,

3. temperatura i czas wytrawiania.

Sposób przygotowania próbek został opisany powyżej. Powierzchni odkuwek, odlewów, kęsów i prętów do badań na wady zewnętrze zazwyczaj się nie obrabia.

Skład chemiczny odczynników powinien być tak dobrany, aby można było uzyskać pewne i powtarzalne wyniki, wobec tego nie powinny one zmieniać stężenia zarówno przy temperaturze otoczenia, jak i przy podwyższonych temperaturach. Temperatura odczynnika dodatnio wpływa na jego przenikanie w głąb materiału, jak również na szybkość oddziaływania z poszczególnymi składnikami strukturalnymi i wtrąceniami.

Czas trawienia istotnie wpływa na wynik próby. Zbyt krótkie trawienie pozornie zmniejszają wady , a zbyt długie - jej powiększenie. Wobec tego, aby wyniki prób były porównywalne, należy je przeprowadzić w tych warunkach.

WYKRYWANIE ROZMISZCZENIA SIARKI (PRÓBA BAUMANNA)

Siarka jest w stalach domieszką wybitnie szkodliwą; stad jej zawartość stali nie może przekraczać 0,06%. Rozpuszczalność siarki w żelazie jest bardzo mała (rys poniżej), 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 kruczość w dwu zakresach temperatur: 800 do 1000 ºC - wskutek niedostatecznej plastyczności siarczków i powyżej 1200 ºC - z racji topienia się siarczków (temperatura topnienia FeS wynosi 1190 ºC), skutkiem czego zanika spójność granic ziaren. Przy normalnie spotykanych zawartościach siarki niższy zakres kruchości na gorąco 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 (około 940 ºC) niż eutektyka Fe-FeS (988 ºC). Podobnie jak niewystarczające odtlenienie wpływają pierwiastki stopowe, tworzące niskotopliwe siarczki: nikiel, kobalt i molibden. Natomiast pierwiastki tworzące siarczki o wyższych temperaturach topnienia, jak: mangan, chrom, tytan i cyrkon, przeciwdziałają kruchości na gorąco, spowodowanej przez siarkę. Siarczki zawierające te pierwiastki nie tworzą ciągłej siatki na granicach ziaren, lecz pojedyncze wtrącenia, znacznie mniej szkodliwe. Niekorzystne rozmieszczenie siarczków na granicach ziaren można również przynajmniej częściowo usunąć przez dłuższe wygrzewanie w zakresie 1000 do 1100 ºC, bowiem taka obróbka cieplna powoduje koagulację wydzieleń.

Sposób przeprowadzenia próby.

Papier fotograficzny moczy się w 2 - 5 % wodnym roztworze kwasu siarkowego przez kilka minut, osusza bibułą z nadmiaru kwasu, kładzie na zgład emulsję 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 + HBr

powodując powstanie na papierze zaciemnień siarczkiem srebra, wielkością i kształtem odpowiadających 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, przemywa w wodzie, przez około 30 minut i suszy.

Próba Baumanna umożliwia wykrycie pozostałości jamy usadowej i pęcherzy.

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

WYKRYWANIE ROZMIESZCENIA FOSFORU

Fosfor podobnie jak siarka należy do domieszek niepożądanych. Rozpuszcza się w ferrycie, który utwardza, zmniejszając jednocześnie jego plastyczność; prócz tego posiada dużą skłonność do segregacji, wynikającą z szerokiego zakresu pomiędzy liniami likwidus i solidus. Segregacje fosforu są jedną z głównych przyczyn struktury pasmowej w wyrobach walcowych, a poza tym powodują większą kruchość, niż można by przewidzieć z przeciętnej zawartości fosforu.

Do wykrywania rozmieszczenia fosforu używa się odczynnika Heyna lub Oberhoffera. Odczynnik Heyna działa elektrolitycznie, skutkiem czego żelazo ulega rozpuszczeniu, a miedź osadza się na powierzchni zgładu.

Sposób przeprowadzenia próby

Do naczynia z odczynnikiem Heyna zanurza się próbkę i wytrzymuje od 0,5 do 5 minut. Następnie zgład z wydzieloną na nim warstewką miedzi spłukuje się strumieniem wody I ściera watą. Gdy warstewka miedzi wydzielona na powierzchni zgładu nie daje się zmyć wodą, to należy zgład przemyć wodnym roztworem amoniaku o składzie: 3 cz. obj. NH₄OH + 2 cz. obj. H₂O. miejsca bogatsze w fosfor zabarwiają się brunatnie od osadzonej miedzi, która w tych miejscach silniej przylega do powierzchni szlifu i nie daje się zmyć.

Działanie odczynnika Obehoffera jest trawiące, przy czym miejsca uboższe w fosfor ulegają wytrawieniu i zaciemnieniu, zaś bogatsze w fosfor pozostają nienaruszone, zachowując barwę jasną. Odczynnik Oberhoffera ujawnia również strukturę pierwotną, jednak w tym przypadku należy zastosować dłuższe czasy wytrawiania.

CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

Podczas wykonywania badań wchodzących w skład ćwiczenia dokonaliśmy próby Baumanna otrzymanych próbek, badając w nich zawartość siarki. Po wykonaniu ćwiczenia otrzymaliśmy obrazy próbek na papierze fotograficznym przedstawiające zawartość siarki w próbkach. Poniżej zamieszczono otrzymane podczas badań obrazy próbek.

Wnioski

Otrzymane do badań próbki stali zawierały siarkę na swoim przekroju próbki. Badane próbki zawierały znaczne ilości siarki, co świadczy I ich właściwościach; jest twarda, mało plastyczna. Takie badanie próbek siarki pomimo swej archaiczności nadal jest stosowane ze względu na niskie koszty przeprowadzenia próby (nowoczesne urządzenia do przeprowadzania tego typu prób są bardzo drogie). Próba ta nie jest jednak dokładna, gdyż w wysokim stopniu zależy od wyczyszczenia powierzchni próbki, a także od wykonania próby, czasu moczenia papieru fotograficznego w roztworze H₂SO₄, czasu przylegania papieru do próbki itp.

Dzięki drugiemu badaniu można za pomocą stwierdzenia zawartości fosforu w próbce dokonać oceny próbki, co pozwala na ocenę i ewentualne zastosowanie badanego materiału w projektowanych konstrukcjach lub projektowanych częściach maszyn.

---