Daniel Prasał

nr albumu: 135539

Wydział Mechaniczny

MiBM

ĆWICZENIE NR 1

Badania makroskopowe, mikroskopowe i defektoskopowe

1. Cel ćwiczenia

Niniejsze ćwiczenie pozwoliło nam poznać metody badań makroskopowych, mikroskopowych oraz defektoskopowych, czyli takich, w których analizujemy interesujące nas próbki na podstawie oceny wizualnej okiem nieuzbrojonym lub przy nieznacznym powiększeniu. Dzięki takim badaniom możemy ocenić jakość oraz wady materiałów poddawanych analizie.

2. Wstęp

Badania makroskopowe materiałów takich jak stal oraz inne metale nieżelazne, możliwe są jedynie po dokładnym wyszlifowaniu, wypolerowaniu a następnie wytrawieniu badanej powierzchni za pomocą roztworów kwasów oraz innych związków chemicznych. Trawienie uwidacznia strukturę analizowanego materiału a także jego wady takie jak zanieczyszczenia oraz wszelkie defekty odlewnicze typu nieciągłości struktury oraz inne.

3. Badania makroskopowe materiału po procesie odlewania

Podczas przeprowadzonego ćwiczenia badaliśmy dwie próbki wlewków, czyli tworów powstałych wskutek odlewania metalu w formie o charakterystycznym kształcie. Pierwszy wlewek będący odlewem cynku (rys.1.) posiada strukturę 2-fazową, która świadczy o znacznym odprowadzaniu ciepła z formy w trakcie jej zalewania ciekłym metalem. W procesie krzepnięcia wpierw wytworzyła się cienka warstwa kryształów zamrożonych wskutek dużej różnicy temperatur na granicy forma - ciekły metal. Niewielka grubość tej warstwy spowodowana jest niezbyt wysokim przewodnictwem cieplnym cynku (116 W/(m∙K), dla porównania srebro 418 W/(m∙K), miedź 397 W/(m∙K) a żelazo 80 W/(m∙K)), co nie pozwala na zbyt szybkie przeniknięcie gradientu temperatury w głąb stygnącego odlewu. Na granicy strefy kryształów zamrożonych zaczyna powstawać kolejna strefa zwana strefą transkrystalizacji. Ukierunkowany odbiór ciepła od ciekłego metalu powoduje krystalizację kierunkową, zwaną inaczej strefową lub warstwową i polega na przemieszczaniu się ciągłego frontu krystalizacji ciągłego jednego punktu do drugiego. W badanym wlewku kierunek ten przebiega od ścianek formy do wnętrza odlewu. W skutek takiego mechanizmu krystalizacji powstaje strefa kryształów słupkowych zwanych inaczej kolumnowymi. Duża prędkość chłodzenia spowodowała, iż strefa tych kryształów sięga do osi wlewka i zajmuje całą pozostałą objętość wlewka. Oprócz charakterystycznych stref możemy także wyróżnić twór zwany jamą usadową. Jest to nieciągłość materiału, powstająca w wyniku zmniejszania się objętości przy krzepnięciu ciekłego metalu w formie. Efekt ten nazywany skurczem odlewniczym i jest charakterystyczny dla danego materiału. Położenie jamy usadowej w górnej części w osi symetrii formy uwarunkowane jest wyżej opisanym kierunkowym krzepnięciem metalu od strony ścianek i dna. Zanieczyszczenia metalu jako lżejsze (tlenki, pyły oraz inne pierwiastki nierozpuszczalne w metalu), zajmują większą cześć jamy usadowej, gdzie metal krzepnie na końcu całego procesu. Jama usadowa nie jest wadą odlewniczą o ile znajduje się w części odlewu przeznaczonej do odcięcia.

Rysunek 1

Drugim badanym obiektem był wlewek sporządzony z mosiądzu. W tym przypadku po analizie próbki (rys.2.), możemy stwierdzić, iż wytworzyły się trzy charakterystyczne strefy. Podobnie jak we wlewku cynku można wyróżnić strefę kryształów zamrożonych oraz strefę kryształów słupkowych. Ponadto pojawia się strefa kryształów równoosiowych. Jej obecność wskazuje na wolniejsze odprowadzanie ciepła od formy. Zarodki kryształów wewnątrz ciekłego metalu zaczęły powstawać zanim dotarł front krystalizacji kierunkowej. Nastąpiło krzepnięcie w całej objętości ograniczonej przez strefę kryształów kolumnowych. Określa się to jako krzepnięcie ciastowate, w którym rzeczywista temperatura na froncie krystalizacji jest mniejsza niż temperatura likwidusu ciekłego metalu. Oznacza to, iż przyrost kryształów kolumnowych jest mniejszy niż przyrost kryształów równoosiowych.

Rysunek 2

4. Badania materiałów po przeróbce plastycznej

Następnym badanym obiektem jest śruba, której część walcowa została wtłoczona w łeb sześciokątny. Cechą charakterystyczną, jaką możemy zauważyć są linie ukierunkowane wzdłuż części walcowej, a także wewnątrz łba śruby. Linie te nazywamy liniami Lüdersa - Czernowa. Są to linie, które powstają wskutek obróbki plastycznej stali. Pod wpływem naprężeń rozciągających w momencie rozpoczęcia płynięcia metalu następują wzajemne przesunięcia części kryształów po płaszczyznach krystalograficznych. Doświadczalnie stwierdzono, iż dla budowy krystalograficznej stali płaszczyzny poślizgu nachylone są pod kątem 45° do osi działania sił.

Rysunek 3

5. Badania makroskopowe połączeń spawanych

Kolejnym obiektem badań były spoiny spawalnicze. Analizie poddano spoiny położone poprawnie, dopuszczalnie oraz niedopuszczalnie. Właściwie położona spoina (rys.4.) charakteryzuje się równomiernie rozłożonym materiałem spajającym, poprawnie przygotowanymi elementami do spawania, brakiem przetopie spawanego metalu w okolicy spoiny oraz brakiem pęcherzy gazowych i zanieczyszczeń. Pierwszym elementem poprawnie położonej spoiny jest odpowiednie obrobienie spawanych elementów. W przypadku spawania czołowego należy sfazować krawędzie obu elementów, co zwiększa powierzchnię przylegania spoiny do metalu a także polepsza warunki tworzenia tak zwanego „jeziorka”, czyli obszaru ciekłego metalu w chwilowym miejscu kładzenia spawu. Właściwie dobrana temperatura jest warunkiem odpowiedniej jakości spoiny. Zbyt wysoka powoduje za duże przetopienie powierzchni styku spoiny z metalem, co niekorzystnie zmienia strukturę metalu. Za niska temperatura nie pozwoli na dostateczne stopienie materiału spawanego, doprowadzając do niewłaściwego spojenia spawu z metalem. Kolejnym kryterium poprawnej spoiny jest jednorodność struktury spawu. Wszelkie pęcherze gazowe oraz zanieczyszczenia spowodowane są niedostateczną otuliną lub niewłaściwie dobranym składem gazów otuliny spawalniczej. Oznaką dobrze położonej spoiny są widoczne na rysunku równo rozmieszczone ściegi, czyli kolejne warstwy kładzionego spawu.

W trakcie ćwiczenia analizie poddane zostały wcześniej wspomniane trzy próbki. Spoina oceniona jako dopuszczalna (rys.5.) posiada wadę nieznacznego przetopu spawanej warstwy metalu. Jest to spoina pachwinowa, która stosowana jest do połączenia elementów umiejscowionych prostopadle względem siebie.

Trzecią badaną spoiną, która jest niedopuszczalna jest spoina czołowa dwóch elementów (rys.6.). Pierwszą wadą jest nieodpowiednie, a właściwie całkowity brak obrobienia krawędzi spawanych. Zamiast tego zastosowano przekładkę dystansową w celu utworzenia szczeliny, w którą położona jest spoina. W zamyśle miała być to spoina typu 2U wg PN. Kolejnym błędem są pęcherze gazowe oraz wtrącenia zanieczyszczeń charakterystyczne dla spoiny kładzionej przez niewykwalifikowanego pracownika, czego efektem jest następna wada, a mianowicie zbyt duża strefa przegrzania materiału spawanego.

Rysunek 4

Rysunek 5

Rysunek 6

6. Badania makroskopowe przełomu zmęczeniowego

Jednym z badanych obiektów był wał maszynowy, który uległ pęknięciu wskutek zmiennych obciążeń okresowych, czyli nastąpiło zmęczeniowe zniszczenie materiału. Zjawisko zmęczenia materiałów jest bardzo niebezpieczne, ponieważ zniszczenie elementu konstrukcyjnego lub części maszyny następuje nieoczekiwanie przy naprężeniach znacznie mniejszych od wytrzymałości doraźnej, wyznaczonej ze statycznej próby rozciągania. Zniszczenie następuje bez żadnych dostrzegalnych wcześniej odkształceń plastycznych.

Przyczyną zmęczeniowego zniszczenia materiału jest zmienny stan naprężenia. Przebieg zniszczenia możemy prześledzić na przykładzie wspomnianego wcześniej pękniętego wału maszynowego (rys.7.).

Początek zniszczenia wału nastąpił w tzw. ognisku. Przyczyną zapoczątkowania procesu zmęczeniowego jest spiętrzenie naprężeń wywołane np. pęknięciem, rysą, wadą materiałową, karbem. W badanym przypadku słabym punktem wału był karb wewnątrz rowka na wpust pryzmatyczny. Szczelina zmęczeniowa rozszerza się, penetruje w głąb przekroju - następuje tzw. propagacja pęknięcia. Wał ulega zniszczeniu, gdy niezniszczona część wału nie jest w stanie przenieść obciążenia. W przełomie zmęczeniowym rozróżnia się dwie strefy. Strefa zniszczenia zmęczeniowego ma wygładzoną, błyszczącą powierzchnię z charakterystycznymi liniami, w których propagacja pęknięcia została np. na skutek zmniejszenia obciążenia zahamowana. Wygładzenie tej strefy wynika z tarcia powierzchni w czasie pracy. Druga strefa nosi nazwę strefy doraźnej (resztkowej) i ma wygląd gruboziarnisty, matowy. Istnieje wiele teorii na temat powstawania ogniska i propagacji szczelin zmęczeniowych. Większość z teorii przyjmuje dyslokacje i inne wady sieci krystalicznej za przyczynę tych zjawisk.

Rysunek 7

7. Badania defektoskopowe

Wśród badań defektoskopowych wyróżniamy kilka metod, z których najczęściej stosowane to:

• metody ultradźwiękowe,

• metody roengenowskie,

• metody elektromagnetyczne,

• metody penetracyjne.

Jedną z najważniejszych zalet powyższych metod jest niedestrukcyjny sposób ich przeprowadzania.

W doświadczeniu zapoznaliśmy się dokładniej z metodami rentgenowskimi. Metoda ta polega na analizie badanego elementu poprzez naświetlenie kliszy promieniami roentgena, na których drodze znajduje się element. Wszelkie wady typu pęcherze gazowe, nieciągłości struktury, jamy skurczowe lub wewnętrzne pęknięcia zostają uwidocznione na kliszy.

Na oglądanych przez nas zdjęciach rentgenowskich pojawiła się łopatka wentylatora (rys.8.) oraz spoina spawalnicza (rys.9.). Zdjęcie łopatki ujawnia dyskwalifikujące ją spore jamy skurczowe powstałe w procesie odlewniczym. Natomiast spoina zawiera znaczną ilość pęcherzy gazowych oraz zanieczyszczeń.

Rysunek 8

Rysunek 9

8. Badania mikroskopowe

Kolejnym elementem przeprowadzonego doświadczenia były badania mikroskopowe odpowiednio spreparowanych próbek stali i żeliwa.

Przygotowanie takiej próbki polega na wyszlifowaniu a następnie dokładnym wypolerowaniu badanej powierzchni. Następnie w celu uwidocznienia struktury materiału poddaje się badaną powierzchnię wytrawianiu odpowiednimi roztworami.

Obrazy mikroskopowe badanych materiałów zamieszczone są poniżej.

C55 - struktura ferrytyczno - perlityczna

pow. 800x przed wytrawieniem

C55 - struktura ferrytyczno - perlityczna

pow. 800x po wytrawieniu Nitalem

Żeliwo szare - płatki grafitu

pow. 800x przed wytrawieniem

Żeliwo szare - płatki grafitu

pow. 800x po wytrawieniu Nitalem

9. Wnioski

Przeprowadzone doświadczenia pozwoliły na poznanie różnorodnych metod badania materiałów, struktur oraz konkretnych elementów mechanicznych. Dzięki takim badaniom można ocenić jakość wykonania danego materiału lub detalu pod względem prawidłowości jego wykonania. Jesteśmy zdolni do selekcji i odrzucenia elementów wadliwych zagrażających poprawnej pracy danego urządzenia, co znacznie zwiększa jego żywotność a także przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa pracy. Znaczny postęp technologiczny pozwolił na zastosowanie nieniszczących metod badań takich jak badania rentgenowskie, ultradźwiękowe oraz elektromagnetyczne. Dzięki zastosowaniu takich metod można kontrolować całą serię produkcyjną i wyeliminować wadliwe elementy bez straty detali wykonanych poprawnie.

Badania makroskopowe uszkodzonych elementów ukazały nam proces niszczenia danego detalu pod wpływem działających na niego sił, które możemy przewidzieć i wyeliminować taką konstrukcję, której by one zagrażały.

9

---