Badania makroskopowe - instrukacja

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

1. Wiadomo

ci podstawowe

1.1.

Istota bada

makroskopowych

Badania materiałów i części maszyn, przeprowadza się w róŜnych okolicznościach.

Zazwyczaj  ma  to  miejsce,  podczas  badań  podstawowych  których  celem  jest  polepszenie
jakości materiału (jeszcze w trakcie jego projektowania, np. programowanie cech kompozytów),
dla materiałów nowych w celu określenia ich przydatności, podczas kontroli jakości i w trakcie
ustalania  przyczyn  awarii  i  tu  szczególnie  istotną  rolę  odgrywają  badania  makroskopowe.
Przeprowadzenie  ich  ma  jednak  tylko  sens  gdy  dotyczą  one  takich  elementów  jak  gotowe
wyroby.

Badania makroskopowe, polegają na obserwacji odpowiednio przygotowanych

powierzchni, nazywanych równieŜ zgładami oraz przełomów elementów maszyn,
nazywanych zamiennie złomami, okiem nie uzbrojonym lub przy powiększeniu do 30 razy.
Niektóre źródła podają Ŝe, powiększenie to moŜe sięgać aŜ do 50 razy, jednak stosowane są bardzo
rzadko.

Pojęcie makrostruktury obejmuje więc takie cechy budowy wewnętrznej, które moŜemy

obserwować przy spełnieniu powyŜszych warunków.

Obserwacja makrostruktury, wbrew pozorom nie jest wcale badaniem zgrubnym ani mało

znaczącym, poniewaŜ podstawową wyŜszością tego typu badań nad badaniami mikrostruktury
jest moŜliwość oceny budowy wewnętrznej i moŜliwość oceny jednorodności materiału na większej
powierzchni. Zastosowanie wyłącznie badań mikroskopowych, moŜe powodować wybranie
nieistotnego obszaru, który wykazywać będzie znaczne podobieństwo w danej strefie, a takŜe
znacznie  róŜnić  się  od  stref,  które  aktualnie  są  poza  zasięgiem  mikroskopu.  Tak  więc
niewątpliwą  zaletą  badań  makroskopowych  jest  moŜliwość  oceny  jednorodności  budowy
wewnętrznej  materiału  na  wystarczająco  duŜej  powierzchni.  Dla  porównania  maksymalny  obszar
obserwowany  pod  mikroskopem  przy  najmniejszym  ze  stosowanych  powiększeń  moŜe  mieć
ś

rednicę max 0,5 mm.

1.2.

Cel bada

makroskopowych

Uszkodzenia części maszyn i urządzeń, które powstają w trakcie procesu

eks plo at ac yj n ego,  wywoł an e  s ą  najcz ęś ciej  p rzez  szereg  wad  wewn ęt rzn ych
i  powierzchniowych  tych  Ŝe  części.  Wady  te  mogą  powstać  zarówno  w  procesie
technologicznym, jak i w trakcie eksploatacji urządzenia. Przy czym za czas eksploatacji rozumie
się  tu  zarówno  proces  zdatności,  gdzie  element  jest  uŜytkowany,  jak  i  równieŜ  poszczególne
jego remonty gdzie ta zdolność jest przywracana.

Często w trakcie remontu, pojawiają się zaburzenie (uszkodzenia i nowe wady

materiałowe), czy to podczas montaŜu, czy to trakcie demontaŜu urządzenia, powodujące
skrócenie okresu między remontowego, a nawet wywołujące stan awarii.

Wszystkie badania makroskopowe mają na celu umoŜliwić wykrycie i ocenę:

•

niejednorodności składu chemicznego;

•

struktury pierwotnej;

•

struktury włóknistej;

•

niejednorodności struktury wywołanej obróbką cieplną lub cieplno
chemiczną;

•

niejednorodności struktury pochodzenia mechanicznego lub cieplnego;

•

wad powodujących nieciągłości materiału (zawalcowania, pęknięcia, pory);

•

wtrąceń niemetalicznych;

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

•

jakość złącza spawanego;

•

określenie wielkości ziarna (skala Jernkontoreta.);

•

charakteru przełomu.

Przystępując do jakichkolwiek badań materiałowych, naleŜy rozpocząć od obserwacji

makrostruktury, w celu zróŜnicowania obszarów materiału, których budowę powinno się
następnie analizować na drodze badań mikroskopowych.

Podstawowe zadania jakie stawia ówczesna technika przed badaniami

makroskopowymi to przede wszystkim:

•

wykrywanie wad materiału;

•

uzyskanie informacji o budowie wewnętrznej elementu;

•

określenie budowy i sposobu wykonania elementu;

•

ustalenie przyczyn awarii.

Wykrywanie wad materiałów

Badanie to pozwala na określenie i selekcję materiałów przeznaczonych do dalszej

przeróbki np. analiza struktura wlewka. MoŜna tu zaobserwować wielkość jamy skurczowej, ilość
wtrąceń niemetalicznych, połoŜenie i wielkość pęcherzy gazowych. Dzięki temu moŜliwe jest
podjęcie decyzji o dalszym wykorzystaniu elementu.

Informacje o budowie wewnętrznej elementu

Obserwacja odpowiednio przygotowanych przekrojów pozwala na ustalenie

w  jaki  sposób  wygląda  struktura  wewnętrzna  danego  elementu.  Uzyskuje  się  to  dzięki
„wywołaniu”  struktury  pierwotnej  odlewu  która  pokazuje  jak  przebiegają  nieciągłości
wewnętrzne  (rzadzizny,  pęcherze  pęknięcia),  jaka  jest  grubość  warstw  nawęglanych
i  hartowanych  powierzchniowo  oraz  pozwala  na  obserwację  wielkości  ziarna
w materiale i  jego rozkład.

Określenie budowy i sposobu wykonania elementu

Stosowanie róŜnego rodzaju odczynników np. odczynnik Heyna, pozwala na

określenie w jaki sposób dany element został wykonany oraz czy było to prawidłowe,
z punktu widzenia obróbki plastycznej i wytrzymałości materiałów. Pozwala to równieŜ na
określenie grubości warstwy zahartowanej.

Ustalenie przyczyny awarii

Obserwacja powierzchni elementu lub przełomu powstałego podczas awarii, pozwala na

ustalenie:

•

rodzaju obciąŜenia jaki spowodował zniszczenie;

•

przebiegu procesu niszczenia (punkt początkowy, kierunek);

•

pierwotnej przyczyny awarii.

1.3.

Podział bada

makroskopowych

WyróŜnia się dwa podstawowe rodzaje badań makroskopowych:

•

badania wygładzonej powierzchni przekrojów (czyli po szlifie
metalograficznym);

•

badania przełomów.

Ocena makrostruktury jest sensowna jednak tylko w odniesieniu do wyrobów

gotowych, albowiem makrostruktura kształtuje się dopiero w procesie wytwarzania.

Podstawowe procesy technologiczne które kształtują makrostrukturę materiału:

•

odlewanie;

•

kształtowania przez obróbkę plastyczną;

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

•

spawanie;

•

zgrzewanie;

•

modyfikacji warstwy wierzchniej.

PoniewaŜ elementy gotowe mogą być kształtowane w róŜny sposób, tak jak chociaŜby

procesy wymienione powyŜej, stosuje się więc teŜ analogiczne nazewnictwo w odniesieniu do
makrostruktury badanego elementu. WyróŜnia się więc:

•

makrostrukturę odlewu;

•

makrostrukturę po przeróbce plastycznej;

•

makrostrukturę z wyróŜnioną warstwą wierzchnią;

•

makrostrukturę połączeń termicznych.

Badania makroskopowe mogą być przeprowadzane przy uŜyciu technik o róŜnym

stopniu skomplikowania, w zaleŜności od stopnia rozdrobnienia elementów (wielkość ziarna).

2. Metodyka przeprowadzania bada

makroskopowych powierzchni

wygładzonej – badanie przekrojów

2.1.

Nazewnictwo

Do prawidłowego przeprowadzenia badań makroskopowych, niezbędna jest gruntowna

wiedza  z  dziedziny  materiałoznawstwa,  prawidłowa  interpretacja  kilku  istotnych  zagadnień,  a
takŜe spostrzegawczość i obycie wizualne ze strukturą materiału, w celu prawidłowej identyfikacji
badanej  powierzchni.  Nie  wprawione  oko,  nie  potrafi  prawidłowo  rozpoznać  poszczególnych
struktur  i  wad  materiałowych,  jest  to  zdolność  która  przychodzi  z  czasem,  jednak  nie  jest  to
nic skomplikowanego.

Podstawowym przykładem do nauki oceny struktury makroskopowej, jest struktura

wlewka, gdzie widoczne najistotniejsze obszary powstające w elemencie podczas odlewu.
Strefy te nie tylko mają znaczenie z punktu widzenia badań makroskopowych, ale równieŜ mają
bardzo duŜy wpływ na właściwości mechaniczne i wytrzymałościowe danego elementu.

W miejscach gdzie kryształy są ułoŜone kolumnowo mogą wystąpić pęknięcia.

W  obszarze  centralnym  pojawiają  się  jamy  skurczowe  i  pęcherze,  wtrącenia  niemetaliczne
przemieszczane  do  centralnej  części  na  czołach  krystalizujących  ziarn,  zmniejszają  wytrzymałość
rdzenia.  Obszar  zewnętrzny  charakteryzuje  się  obecnością  kryształków  zamroŜonych,  które
powstają  na  skutek  szybkiego  wychładzania  się  ciekłego  metalu  od  zimnych  ścianek
wlewnicy.  Dalsze  krzepnięcie  w  kierunku  osi  powoduje  powstawanie  kryształków
kolumnowych.

1 - struktura   drobnoziarnista,  kryształów
zamroŜonych       (szybkie       i  wielokrotne
zarodkowanie);
2 - struktura     przejściowa,

kryształów

kolumnowych (zarodkowanie powolne,
narastanie kryształów prostopadledo ścianek
wlewka);
3

struktura

ziaren

równoosiowych

(równomierne zarodkowanie i narastanie
ziaren);

Rys. Schemat struktury wlewka

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

Jama skurczowa

Liczne p

cherze gazowe

Rys. Przekrój poprzeczny wlewka - stal nieuspokojona

Kryształy zamroŜone

Po uzupełnieniu wlewnicy ciekłą stalą w wyniku zetknięcia się cieczy metalicznej

z  chłodnymi  ścianami  wlewnicy  powstają  kryształy  zamroŜone.  PoniewaŜ  wszystkie  ścianki
wlewnicy  odprowadzają  ciepło  jednocześnie  i  to  dość  intensywnie,  proces  krzepnięcia  ciekłego
metalu  podąŜa  w  kierunku  osi  wlewnicy.  Kryształy  powstałe  przy  ściankach  wlewnicy
charakteryzują się drobnoziarnistą budową.

Kryształy słupkowe

Część kryształów korzystnie zorientowanych w kierunku odprowadzenia ciepła, tj.

prostopadle do jamy wlewnicy tworząc tzw. strefę kryształów słupkowych, które tworzą się na
skutek dalszego odprowadzanie ciepła przez wlewnicę.

Strefa dendrytów

Strefa ta, dochodzi do środka wlewka, cechuje się krystalizacją równoosiowych

dendrytów o przypadkowej orientacji. Dendry który nie jest blokowany przez Ŝaden inny dendryt,
a dzięki temu nie jest zniekształcony, uwaŜany jest za pojedynczy kryształ.

Stal uspokojona

Stale uspokojone, zawierają dodatki pierwiastków o duŜym powinowactwie do tlenu

(mangan, krzem, aluminium) w takich ilościach aby nastąpiło dalsze odtlenienie ciekłej stali, a
nie zachodziła reakcja odtleniania drogą utleniania węgla we wlewnicy. W stalach
uspokojonych nie wydziela się w czasie krystalizacji wlewków tlenek węgla, co powoduje
skłonność do tworzenia się jamy skurczowej i zmniejsza uzysk stali.

Stal nieuspokojona.

Wlewek stali nieuspokojonej charakteryzuje się obecnością licznych pęcherzy

gazowych, na niemal całej powierzchni. Uzysk w tych stalach jest największy, ale zawierają one
najmniej tlenu. Pęcherze gazowe utrudniają obróbkę plastyczną. Stale te ze względu na niŜszą
jakość są stosowane na wyroby o niezbyt wysokich wymaganiach.

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

Jama skurczowa

Metal po odlaniu zarówno w stanie ciekłym jak i stałym kurczy się w sposób ciągły

podczas chłodzenia. Zmiana ta ma charakter skokowy w czasie krystalizacji, następuje wtedy
wzrost kryształów w kierunku środka wlewnicy. Kryształy te wydłuŜają się i zmniejszają
swoją objętość w sposób ciągły, a lustro pozostającej cieczy opada. RozróŜnić tu moŜemy dwa
rodzaje jam skurczowych: wtórną i włóknistą.

Pęcherze gazowe

Rozpuszczone gazy, które znajdują się w ciekłym metalu pochodzą z powietrza (tlen,

azot) i ze spalin. Przykładem moŜe być tu proporcja podana w [3] l kg stali w temperaturze

1700 C i ciśnieniu l bar rozpuszcza się 340 cm

Mechanizm powstawania pęcherzy gazowych jest następujący: wraz ze spadkiem

temperatury  maleje  w  sposób  ciągły  rozpuszczalność  gazów  w  metalu,  jedynie  podczas
krzepnięcia zmiana ta ma charakter skokowy. Wydzielone gazy łączą się, tworząc pęcherze
i  usiłują  przedostać  się  w  górę  na  powierzchnie  cieczy.  Udaje  się  to  tylko  w  metalach
czystych i to niewielkiej ilości gazów. Najbardziej niebezpieczne pęcherze gazowe to te które
znajdują się blisko powierzchni wlewka. Mogą one utworzyć tu kanały łączące pęcherze
z  powietrzem.  Pęcherze  gazowe  powodują,  Ŝe  wlewek  jest  porowaty,  ale  zmniejszają  lub
nawet całkowicie powstrzymują powstawanie jam skurczowych.

2.2.

Technika obserwacji i przygotowanie przekrojów

Badanie zgładów przeprowadza się na przekrojach całych elementów, a jeśli rozmiary

ich są zbyt duŜe to pobiera się próbki wycinane z badanego elementu. Czynność wycinania
nie  powinna  zmieniać  struktury  materiału,  albowiem  powodowało  by  to  zafałszowanie
wyników.  JeŜeli  próbkę  wycina  się  za  pomocą  palnika  acetylenowo-  tlenowego,  to  naleŜy
wtedy przewidzieć wpływ strefy ciepła i przewidzieć nadmiar materiału do usunięcia. Próbki
do  badań  naleŜy  w  miarę  moŜliwości  pobierać  w  taki  sposób  lub  w  takim  miejscu  aby
moŜliwe było zaobserwowanie całości przekroju poprzecznego.

Zgłady te mogą być pobierane z najróŜniejszych elementów i części maszyn,

zarówno z odlewów, stali poddanej obróbce plastycznej, złącz spawanych jak i równieŜ
złącz zgrzewanych, a w zaleŜności od rodzaju badania stosowane są róŜne odczynniki trawiące.

Następnie zgłady poddaje się szlifowaniu, a przy stosowaniu niektórych odczynników

zalecane  jest  nawet  polerowanie  np.  odczynnik  Oberhoffera.  Polerowanie  jest  jednak  rzadko
stosowane  w  trakcie  badań  makroskopowych,  albowiem,  powierzchnia  odpowiednio
wyszlifowana  na  papierze  ściernym,  będzie  wyglądała  na  błyszczącą.  Dalsze  jej  szlifowanie
nie  jest  konieczne.  Jednak  w  trakcie  badania  tej  samej  próbki  pod  mikroskopem  widoczne
będą  liczne  rysy,  które  powodować  będą  odbicie  światła  i  nieprawidłową  interpretacje
wyników.

Próbki następnie obserwuje się bez trawienia lub poddaje trawieniu odpowiednim

odczynnikiem, w zaleŜności jakie informacje dotyczące struktury badanego elementu chcemy
uzyskać.

Reasumując moŜna stwierdzić, iŜ badanie makrostruktury wygładzonej powierzchni

polega na takim samym przygotowaniu powierzchni badanego elementu jak do badań
mikroskopowych, pomijając polerowanie. Są to więc badania niszczące, albowiem element
musi być przecięty, następnie szlifowany a niekiedy polerowany. Musi to być jednak
zrealizowane w sposób nie wpływający na stan struktury materiału z którego jest wykonany.

2.3.

Odczynniki stosowane do trawienia zgładów i interpretacja

wyników

Wiele wad materiału jest widocznych gołym okiem bez konieczności trawienia

próbki, jednak niektóre wady materiałowe zarówno struktury wewnętrznej jak

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

i zewnętrznej nie są widoczne od razu po wycięciu próbki, czy nawet po jej szlifowaniu.
Konieczne jest wtedy zastosowanie odczynników trawiących. W zaleŜności od rodzaju
i celu badań stosuje się róŜne odczynniki, zaleŜnie od tego co ma być wyeksponowane.

MoŜna je podzielić na dwa podstawowe rodzaje:

•

kwasowe - działające korodujące np. odczynnik Baumana;

•

miedziowe - działające elektrolitycznie np. odczynnik Obershoffera. (mieć
naleŜy usunąć z powierzchni przez zmycie 5% roztworem amoniaku.

Mechanizm działania odczynników polega na tym, Ŝe atakują one silniej miejsca

odkształcone plastycznie, granice ziaren oraz skupienia zanieczyszczeń (siarka, fosfor).
Obszary te następnie w zaleŜności od składu chemicznego na powierzchni uzyskują róŜną
barwę.

Odczynnik Heyna (Ma l Fe) - ujawnia strukturę włóknistą, która powstała po przeróbce

plastycznej, z przebiegu włókien moŜna wnioskować o sposobie wykonania elementu. Szlif
trawi się tu od 0,5 do 5 min. a osad Cu zmywa wodą lub 5 % roztworem amoniaku.

(1Og chlorku amonowo- miedziowego, lOOcm

wody)

Prawidłowo wykonany

łeb

ruby

Przebieg włókien

wiadczy o jednokrotnym

wyboczeniu podczas kucia

Gwint

ruby wykonany

poprzez toczenie

Nakr

tka wykonana

przez kucie

Nakr

tka wykonana

przez toczenie

Rys. Śruba z łbem kutym – struktura włókien

Oddziałuje on na miejsca bogate w fosfor zabarwiając je brunatnie, a bogatsze

w węgiel na szaro. Makrostruktura stali jest tu bardziej widoczna na mniej wygładzonej
powierzchni. Tak więc polerowanie nie jest tu zalecane.

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

Równoległy układ włókien

wiadczy o prawidłowym kuciu

(próba Heyna)

Rys. Hak kuty – równoległy układ włókien

Po próbie tej moŜna wnioskować czy dany element jest elementem przerobionym

plastycznie (struktura pasmowa), czy odlewem (struktura dendrytyczna lub globulityczna).

Odczynnik Oberhoffera (Ma 2 Fe) – ujawnia strukturę pierwotną stali, czyli

strukturę która powstaje w trakcie krzepnięcia. Niejednorodność ta zostaje zniekształcona
podczas obróbki plastycznej w kierunku płynięcia metalu. Struktura z równoosiowej staje
się  ukierunkowana.  Szczególnie  widoczne  to  jest  w  elementach  poddanych  walcowaniu,
spęczaniu  czy  przy  nagniataniu  gwintów.  Działanie  jego  polega  na  tym,  iŜ  silnie  trawi
miejsca  ubogie  w  fosfor,  które  ciemnieją,  a  na  miejsca  bogate  w  fosfor  prawie  nie  działa,
pozostawiając  je  jasne  i  błyszczące.  Bardzo  istotne  jest  tu  dokładne  przygotowanie
powierzchni przez polerowanie. Próbkę trawi się od 5s do 2 min, a osad Cu zmywa wodą.

Struktura pierwotna odlewu

wiadczy o sposobie wykonania

przez obróbk

skrawaniem

Rys. Śruba wykonana z pręta sześciokątnego poprzez obróbkę skrawaniem

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

Widoczne linie włókien

wiadcz

o wykonaniu

łba przez kucie

Z przebiegu włókien

wynika

e gwint został wykonany

przez obróbk

skrawaniem

Rys. Badanie struktury włókien za pomocą odczynnika Oberhoffera

Odczynnik  Baumana  (Ma  3  Fe)  -  ujawnia  on  przede  wszystkim  rozmieszczenie  siarki oraz
po  części  fosforu.  Ujawnia  się  to  na  przyłoŜonym  do  powierzchni  papierze  fotograficznym.
Próbkę  poddaną  analizie  w  ten  sposób  naleŜy  dokładnie  umyć  i  osuszyć,  albowiem
niedopilnowanie spowoduje korozję próbki.

Strefa zewn

trzna, krzepn

najszybciej, składaj

ca si

z bardzo

drobnych ziaren zamro

onych

Strefa

rodkowa wlewka, krzepn

najwolniej, zbudowana jest z du

ych

ziaren, przypadkowo zorientowanych.

Strefa wewn

trzna, krzepn

ca wolniej

strefa zewn

trzna, składa si

z wi

kszych

ziaren słupkowych.

Rys. Próba Baumana - struktura pierwotna wlewka

Odczynnik Fry (Ma 8 Fe) - Ujawnia odkształcenia plastyczne. Odczynnik ten atakuje

strefy w których została przekroczona granica plastyczności, ujawniając je w postaci
ciemnych linii. Są to tzw. linie płynności. Odczynnik ten moŜe równieŜ słuŜyć do
ujawnienia strefy wpływu ciepła.

Odczynnik Adlera (Ma 11 Fe) - słuŜy on do ujawnienia struktury spoiny. Odczynnik ten

ujawnia linie zanieczyszczeń czyli segregację fosforu i węgla w stali. Dzieje się tak poniewaŜ,
spoina jest o nieco innym kształcie niŜ materiał rodzimy. Charakteryzuje się typową dla

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

odlewu gruboziarnistą, dendrydyczną strukturą, a w przypadku spoiny wielowarstwowej
widoczne są wyraźne granice poszczególnych warstw.

Badanie stosuje się przede wszystkim do ujawnienie wad w spoinie i w strefie wpływu

ciepła.

Spoiwo

Materiał rodzimy

Strefa wpływu ciepła

Rys. Struktura złącza spawanego - odczynnik Adlera

Widoczne poszczególne warstwy

spoiny wielowarstwowej

Rys. Struktura złącza spawanego, stal platerowana - odczynnik Oberhoffera

3. Metodyka przeprowadzania bada

makroskopowych przełomów

3.1.

Nazewnictwo

Nazwa przełom jest toŜsama z nazwą złom, obie nazwy są poprawne i tak samo

rozumiane. Przełom jest  płaszczyzną która powstaje po  rozdzieleniu materiału na co najmniej
dwie  części,  a  bezpośrednią  przyczyną  jego  powstania  jest  przekroczenie  poziomu  napręŜeń
dopuszczalnych  dla  danego  materiału  (elementu)  .  Rozdzielenie  to  moŜe  być  powodowane
wieloma czynnikami technologicznymi jak i eksploatacyjnymi. Czynnikami decydującymi
w  znacznym  stopniu  o  poziomie  napręŜeń  dopuszczalnych  są  róŜnego  rodzaju  czynniki
materiałowe,  tak  jak  chociaŜby  przy  badaniach  zgładów  (wtrącenia,  pęcherze,
niejednorodność  składu  chemicznego,  wielkość  ziaren  itd.).  Tego  typu  czynniki  naleŜą  do
czynników wewnętrznych. Istnieją jednak jeszcze czynniki zewnętrzne, które są kształtowane
przez  konstruktora  i  eksploatatora.  Przekroczenie  obu  rodzajów  tych  czynników  moŜe
powodować powstanie mikro-pęknięć i w następstwie powstanie przełomu.

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

3.2.

Cel badania przełomów

Badanie przełomów (złomów), dostarcza wiele informacji dotyczących materiału,

umoŜliwiają przede wszystkim przybliŜone określenie wielkości ziaren, ich kształtu i ułoŜenia
ziaren  oraz  pozwalają  określić  kierunek  przebiegu  przełomu.  Pozwalają,  określić  wielkość
wtrąceń  niemetalicznych  i  nieciągłości  materiałowych,  a  takŜe  pozwalają  na  określenie
warunków  i przyczyn  powstania  przełomów.  Ta  ostatnia  informacja jest  szczególnie istotna
jeśli  chodzi  o  diagnozowanie  badanych  elementów  oraz  przy  konstruowaniu  nowych
elementów  części  maszyn.  WaŜne  jest  to  szczególnie  przy  badaniu  i  analizie  stanów
awaryjnych i przyczyn ich powstania, poczynając  od poprawności doboru  materiału z którego
wykonano element, a na poprawności montaŜu i demontaŜu kończąc.

3.3.

Obserwacja przełomów

Obserwacja przełomów pozwala uzyskać informacje na temat struktury i budowy

materiałów. Jednorodny, jednolity i ziarnisty charakter materiału, obrazuje przełom jednolity
na całej powierzchni. Strukturę tą mogą jednak zakłócić wady materiałowe, takie jak:
wtrącenia niemetaliczne i nieciągłości materiałowe.

Przebieg przełomu uzaleŜniony jest równieŜ od temperatury w jakiej dany element się

znajduje. JeŜeli przełom powstaje w temperaturze otoczenia, to najczęściej przebiega on przez
ziarna i nazywany jest przełomem trans-krystalicznym, jeŜeli natomiast przełom powstaje
w wysokich temperaturach to przebiega przez granice ziaren i nazywany jest przełomem
między-krystalicznym.

W badaniach makroskopowych określa się równieŜ wielkość ziarna przełomu, ocenia

się to przez porównanie z wzorcową skalą przełomów, JERNKONTORET-a

Bardzo waŜnym czynnikiem podczas obserwacji przełomów jest oświetlenie

stanowiska  badawczego.  PoniewaŜ  przełomy  są  to  w  swojej  budowie  zbliŜone  do
płaskorzeźby,  posiadają  trzy  wymiary,  kaŜde  nieprawidłowe  oświetlenie  bądź  nierówne  czy
niestabilne moŜe powodować istną grę świateł, a co za tym idzie dla niedoświadczonego oka
moŜe  powodować  fałszowanie  wyników  obserwacji  poprzez  powstawanie  cieni,  pół  cieni
i odbić.

3.4.

Rodzaje przełomów

WyróŜnia się dwa podstawowe rodzaje przełomów: rozdzielczy i poślizgowy, przy

czym oba pojęcia są stanem chwili badanego elementu, uzaleŜnionym od wielu
czynników eksploatacyjnych i zewnętrznych.

Przełom rozdzielczy - następuje bez śladów wcześniejszego odkształcenia

plastycznego,  nazywa  się  go  w  literaturze  jak  przełom  rozdzielczy  kruchy.  Najczęściej
występuje  on  w  Ŝeliwie  lub  w  stali  zahartowanej.  Przełom  tego  typu  moŜe  być  równieŜ
poprzedzony  niewielkim  odkształceniem  plastycznym  i  wtedy  nazywamy  go  przełomem
rozdzielczym  wiązki  -  występuje  on  najczęściej  w  stali  hartowanej  i  odpuszczonej  w  niskiej
temperaturze.

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

Rys. Przełom rozdzielczy (kruchy)

Przełom poślizgowy - poprzedzony jest wyraźnym odkształceniem plastycznym i

występuje w stali wyŜarzonej oraz w większości metali nieŜelaznych i ich stopów.

Rys. Przełom poślizgowy

Pomimo Ŝe niektóre materiały są podatne na jeden rodzaj przełomów, a na drugi nie to

jednak  rodzaj  przełomu  jest  zaleŜny  przede  wszystkim  od  tego  która  składowa  obciąŜenia  jest
dominująca.  Składowa  normalna  napręŜenia  powoduje  zniszczenie  materiału  przez  przełom
kruchy,  natomiast  dominująca  składowa  styczna  powoduje  zniszczenie  drogą  przełomu
poślizgowego.

ObciąŜenia udarowe, zwłaszcza przy dostatecznie duŜej energii uderzenia powodują

najczęściej przełomy rozdzielcze, bez względu na rodzaj materiału.

Przełom zmęczeniowy - jest to charakterystyczny rodzaj przełomu, elementu który

uległ zniszczeniu pod wpływem działania obciąŜeń zmęczeniowych (cyklicznie zmiennych). Na
powierzchni tego elementu moŜemy wyróŜnić dwa obszary: gładki i ziarnisty.

Pocz

tek zjawiska

Obszar gładki

z widocznymi limiami

muszlowymi

Obszar ziarnisty

cowy etap przełomu

czeniowego

Rys. Przełom zmęczeniowy i jego podstawowe obszary

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

Obszar gładki charakteryzuje się tym Ŝe widoczne są w tym miejscu przełomu

charakterystyczne  koncentryczne  linie,  mające  swoje  centrum  w  miejscu  początku  przełomu
zwanym  teŜ  ogniskiem.  Muszlowa  część  przełomu  tworzy  się  w  czasie  rozwoju  pęknięcia.
Wygładzenie  tej  powierzchni  jest  wynikiem  tarcia  powierzchni  pęknięcia  wywołanego
odkształceniami  elementu  podczas  kolejnych  cykli  zmian  obciąŜenia.  Ziarnista  część
przełomu odpowiada końcowemu pęknięciu elementu.

Proces ten rozpoczyna się mikropęknięciem w miejscu zwanym ogniskiem, tj.

w miejscu lokalnej koncentracji napręŜeń, wywołanej działaniem mikrokarbu.

4. Próbki do

wiczenia

Do ćwiczenia przygotowano 20 próbek, które pod względem obserwacji moŜemy

podzielić na 2 grupy i 8 kategorii:

Badanie zgładów

Struktura Pierwotna podczas odlewów (l próbka)

Struktura pierwotna odlewów ciśnieniowych (l próbka)

Warstwy powierzchniowe (2 próbki)

Budowa włóknista po przeróbce plastycznej (2 próbki)

Wady wewnętrzne (3 próbki)

Złącza spawane (4 próbki)

Niejednorodność składu chemicznego (l próbka)

Badanie przełomów

Identyfikacja podstawowych typów przełomów (7 próbki)

Próbka nr 1:

Pozwala ona na obserwację struktury pierwotnej odlewu. Wyraźnie widać tu budowę

strefową.  Widoczna  jest  tu  strefa  kryształków  zamroŜonych,  które  powstają  podczas
szybkiego  chłodzenia  ciekłego  metalu,  przez  stosunkowo  zimną  formę.  Gruboziarnista
struktura  o  wyraźnym  układzie  promieniowym,  choć  niekiedy  chaotyczna,  to  strefa
kryształków słupkowych, które powstały na skutek kierunkowego odprowadzania ciepła od osi
odlewu do powierzchni, a w ich dalszej części  wybudowane dendryty, które są w tej próbce
bardzo dobrze widoczne. W części osiowej moŜna zaobserwować tzw. rzadzizny, czyli gąbczasta
porowata  struktura,  tworząca  się  podczas  krzepnięcia  cieczy,  gdy  większa  część  kryształów
zgrupuje się a pomiędzy nimi zostanie zamknięta ciecz nie mająca połączenia z resztą.

Rzadzizny w cz

ęś

osiowej odlewu

Gruboziarnista strefa

dendrtów

Strefa kryształów

zamro

onych

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

Próbka nr 2:

W korpusie odlewanym ciśnieniowe z stopu AlSi9, po przeprowadzeniu trawienia

odczynnikiem Heyna, moŜemy zaobserwować siatkę ziaren. Miejsca ciemniejsze to miejsca
mniej zanieczyszczone.

Widoczna struktura

pierwotna odlewu

Próbka nr 3:

Sworzeń wykonany ze stali o zawartości węgla 0,1 - 0,15 % (stal jak na gwoździe).

Warstwa wierzchnia sworznia jest nawęglana, przez co rośnie twardość na powierzchni
sworznia, a zawartość węgla kształtuje się na poziomie 0,8 %. Grubość tej warstwy wynosi
1 do 1,5 mm. Warstwa ta jest widoczna gołym okiem na całym obwodzie.

Charakterystyczny wygląd warstwy nawęglanej jest jak by było przytarte na brzegu lub

jak by ostrym skrobakiem zebrana była na krawędzi warstwa (zadry) po obróbce skrawaniem.

Rdzeń tego sworznia musi być plastyczny, aby mógł przenosić obciąŜenia. Gdyby cały

wykonany był ze stali o większej zawartości węgla lub gdyby był hartowany na wskroś, to mogło
by to doprowadzić do powstania przełomu kruchego.

Warstwa wierzchnia naw

glana

zawarto

ść

gla 0,8%

Próbka nr 4:

Baryłka łoŜyska tocznego. Wykonana ze stali plastycznej, podobnej jak próbka nr 3. Rdzeń

tego elementu jest plastyczny, moŜe przenosić obciąŜenia zmienne, natomiast warstwa wierzchnia,
jest utwardzona przez hartowanie powierzchniowe. Grubość tej warstwy wynosi od 2 do 5 mm.

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

Hartowanie powierzchniowe,

warstwa wierzchnia ma inn

struktur

rdze

Próbka nr 5:

ruba wykonana z pręta sześciokątnego, po szlifowaniu i trawieniu odczynnikiem

Oberhoffera, uwidoczniła się struktura pierwotna. Widać, iŜ element ten został wykonany przez
obróbkę skrawaniem. Dotyczy to zarówno łba śruby jak i gwintu.

Widoczna struktura pierwotna odlewu

Próbka nr 6:

ruba wykonana z pręta walcowanego, poprzez obróbkę plastyczną. Śruba po szlifie

została poddana trawieniu odczynnikiem Oberhoffera, co ujawniło strukturę włóknistą
materiału. Widać Ŝe łeb śruby został wykonany poprzez spęczanie, gwint natomiast został
nacięty poprzez obróbkę skrawaniem.

Widoczne linie włókien

wiadcz

o wykonaniu przez

kucie

Z przebiegu włókien

wynika

e gwint został wykonany

przez obróbk

skrawaniem

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

Próbka nr 7:

Pręt stalowy, poddany obróbce plastycznej, o czym świadczy kształt przekroju

poprzecznego(prostokąt  z  mocno  zaokrąglonymi  naroŜnikami).  Na  próbce  tej  moŜna  przede
wszystkim  zaobserwować  liczne  pęknięcia  osiowe  wzdłuŜ  całego  elementu,  powstające
w  kierunku  promieniowym,  od  środka  (osi)  pręta  do  ścianek  zewnętrznych.  Przyczyną
powstania  tego  typu  wad  mogą  być  błędy  popełnione  w  trakcie  obróbki  plastycznej,  w  tym
przypadku chodzi tu o kucie.

Liczne p

kni

cia osiowe

Kształt pr

ta uzyskany jest poprzez

obróbk

plastyczn

(przekrój prostok

tny)

Próbka nr 8:

W próbce tej, zaobserwować moŜna róŜne wtrącenia niemetaliczne które znalazły się

w odlewie w wyniku błędów popełnion ych w trakcie procesu metalurgicznego
i odlewniczego.

cherze gazowe

Wtr

cenia niemetaliczne

Próbka nr 9:

Element ten uwidacznia liczne wtrącenia niemetaliczne, zaŜuŜlenia i pęcherze gazowe

w złączu spawanym. Widoczna jest tu bardzo dobrze struktura złącza spawanego, czyli materiał
rodzimy,  topiwo  i  strefa  wpływu  ciepła.  Przyczyną  powstania  tak  wielu  wad  w  tym  złączu
spawanym  jest  najprawdopodobniej,  nieprzestrzeganie  dyscypliny  technologicznej
w  procesie  metalurgicznym,  jak  i  równieŜ  podczas  spawania.  Spowodowane  to  moŜe  być  teŜ
nieprawidłowym wykonaniem złącza przez osobę nie posiadającą odpowiednich kwalifikacji.

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

Materiał rodzimy

Topiwo

Wtr

cenia

cherze gazowe

Próbka nr 10:

Wycinek złącza krzyŜowego, które charakteryzuje się aŜ czterema spoinami

pachwinowymi. Wszystkie spoiny w tej próbce są jednościegowe.

Miejsca w których

elementy s

niepoł

czone

Spoina pachwinowa

jedno

ciegowa

Materiał rodzimy

Próbka nr 11:

Próbka podobna do próbki nr 16,

Miejsca w których

elementy s

niepoł

czone

Spoina pachwinowa

jedno

ciegowa

Materiał rodzimy

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

Próbka nr 12:

Złącze krzyŜowe wykonane z blachy platerowanej, walcowanej na zimno. Jedna

strona to stal kwasoodporna druga to stal niskowęglowa. Bardzo istotne w procesie łączenia tego
typu stali jest wykonanie prawidłowego przetopu. Pomimo, iŜ są to złącza pachwinowe wielo-
ś

ciegowe, a warstwa stali kwasoodpornej wynosi zaledwie ok. 3 mm, to jednak bardzo waŜne jest

aby topiwo jednego rodzaju, nie powodowało przetopu drugiego rodzaju stali. Jest to
niewątpliwie bardzo trudny technologicznie proces i zarazem kosztowny. Samo wykonanie
tego typu blachy równieŜ nastręcza wiele trudności, albowiem sama blacha moŜe się rozwarstwiać
i nie spełniać wymagań jakie się przed nią stawia

Stal kwasoodporna

Widoczne kolejne

ciegi

spoiny pachwinowej

Prawidłowo wykonany

przetop - tylko w obr

bie

jednego rodzaju stali

Próbka nr 13:

Próbka to podobna jest do próbek nr 16 i 17 z tą róŜnicą, iŜ spoiny są tu

wielościegowe.

Wido9czne kolejne

ciegi

spoiny pachwinowej

Materiał rodzimy

Próbka nr 14:
Próbka ta słuŜy do przeprowadzenia próby Baumana i określenie niejednorodności składu
chemicznego. Próba ta uwidacznia szczególnie zawartość siarki.

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

Powierzchnia próbki

przygotowany do
przeprowadzenia

próby Baumana

Próbka nr 15:

Wał korbowy od samochodu FIAT 125p, doskonale obrazuje przełom zmęczeniowy.

Prawdopodobną  przyczyną  awarii  było  nieprawidłowe  wykonanie  szlifu.  Miejsce  gdzie  czop
łoŜyska  głównego  zbiega  się  z  wykorbieniem,  zostało  nieprawidłowo  obrobione  (zbyt  mały
promień)  co  spowodowało  koncentracje  napręŜeń  w  tym  miejscu  (efekt  karbu)
i spowodowało uszkodzenie tego elementu.

Przełom zm

czeniowy

Zbyt mały promie

wykonany

po szlifie wału,prawdopodobna

przyczyna awarii

Próbka nr 16:

Próbka

stali

niskowęglowej

poddana

rozciąganiu

maszynie

wytrzymałościowej, obrazuje charakter przełomu plastycznego. Widać tu wyraźnie
charakterystyczną szyjkę (przewęŜenie) w miejscu powstania przełomu plastycznego.

Charakterystyczne przew

ęŜ

enie

materiału,

wiadczy o charakterze

przełomu

Wygl

d przełomu plastycznego,

analizowanej próbki

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

Próbka nr 17:

Próbka z Ŝeliwo poddane rozciąganiu, bardzo dobrze obrazuje wygląd struktury

przełomu kruchego. W elemencie tym nie wykształciła się szyjka charakterystyczna dla
badania na rozciąganie elementu ze stali plastycznej. Widoczny stoŜek jest wykonany poprzez
obróbkę skrawaniem.

Brak samoistnego przew

ęŜ

enia

materiału,

wiadczy o charakterze

przełomu

Wygl

d przełomu kruchego

analizowanej próbki

Próbka nr 18:

Próbka ta to część korbowodu (główka korbowodu) silnika okrętowego

wysokoobrotowego. Na skutek nieprawidłowego montaŜu bądź demontaŜu pojawiła się nowa
wada zewnętrzna (karb), tworząc miejsce koncentracji napręŜeń. Spowodowało to powstanie
przełomu zmęczeniowego. Widoczne są tu charakterystyczne dla przełomu zmęczeniowego
charakterystyczne linie muszlowe oraz obszar przełomu kruchego.

Pocz

tek zjawiska

Obszar gładki

z widocznymi limiami

muszlowymi

Obszar ziarnisty

cowy etap przełomu

czeniowego

Próbka nr 19:

Stempel metalowy który pracował cyklicznie pod duŜym obciąŜeniem, o czym

wiadczy charakter jego uszkodzenia. Pęknięcia biegną promieniowo w głąb powierzchni

materiału. W górnej części moŜemy zaobserwować pęknięcia wtórne. Świadczy to o tym, iŜ proces
zniszczenia nastąpił bardzo szybko.

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

Widoczne liczne p

kni

cia

biegn

ce w gł

b materiału

Próbka nr 20:

Przełom tego wielowpustu, uwidacznia co mogło być przyczyną awarii. Prawdopodobnie

element ten był hartowany na wskroś, o czym świadczy rodzaj przełomu - przełom kruchy.
PoniewaŜ rdzeń był zbyt twardy (nie przenosił obciąŜeń), spowodowało to pęknięcie wałka.

Jednolity na całej powierzchni

przełom kruchy, mo

wiadczy

o tym i

. Przyczyn

awarii mogło by

hartowanie na wskro

5. Zalety i wady bada

makroskopowych

Niewątpliwą zaletą badań makroskopowych jest ich prostota i moŜliwość wykonania

w  kaŜdych  warunkach,  albowiem  nie  potrzeba  są  praktycznie  Ŝadne  przyrządy  i  urządzenia  aby
tego  typu  badania  przeprowadzić.  Wystarczy  obserwacja  badanego  materiału  okiem  nie
uzbrojonym. Obserwacja taka dostarcza wielu informacji o budowie danego elementu, począwszy
od makrostruktury i sposobie wykonania, a na znalezieniu przyczyn awarii kończąc. Badania
te  pozwalają  równieŜ  na  wyodrębnienie  stref  w  danym  elemencie,  które  wymagają
przeprowadzenia badań mikroskopowych.

Badania tego typu moŜna przeprowadzać na miejscu gdzie dany element się znajduje bez

konieczności demontaŜu.

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

Informacje dostarczane w tego typu badaniach często mogą być informacjami

priorytetowymi w trakcie diagnozowania przyczyn awarii.

Badania makroskopowe mają równieŜ wady. Jeśli badanie dotyczy zgładów, to konieczne

jest  przygotowanie  powierzchni  badanego  materiału,  tak  jak  do  badań  mikroskopowych  (bez
polerowania).  Często  teŜ  konieczne  jest  pobranie  próbek  z  elementów  badanych. Próbki te
naleŜy wycinać w sposób nie wpływający na strukturę wewnętrzną elementu. JeŜeli jednak nie
ma innej moŜliwości pobrania próbki jak wycinanie za pomocą palnika acetylenowo-tlenowego,
trzeba  uwzględnić  wpływ  strefy  ciepła  i  przewidzieć  naddatek,  który  następnie  naleŜy
przygotować przez frezowanie, toczenie i szlifowanie.

Tak więc są to niewątpliwie badania niszczące.
Badania makroskopowe wymagają równieŜ od osoby przeprowadzającej to badanie dość

wprawnego oka i doświadczenia, aby prawidłowo interpretować wyniki. Są to jednak jedne
z najprostszych metod badań makroskopowych.

Jeśli natomiast chcemy uzyskać informacje dotyczące zawartości siarki lub innych

pierwiastków to potrzebne są nam do tego typu badań róŜnego rodzaju odczynniki.
Niewątpliwą wadą tych metod badań makroskopowych jest więc konieczność posiadania wielu
odczynników chemicznych, które pozwalają na wykrycie wad wewnątrz struktury oraz biegła
umiejętność posługiwania się nimi.

6. Wytyczne do

wiczenia

6.1.

Cel

wiczenia

Podstawowym celem tego ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi cechami

budowy  wewnętrznej  elementów  metalowych,  na  podstawie  obserwacji  makroskopowych
przekrojów  i  przełomów,  a  takŜe  nabranie  umiejętności  w  ocenie  uszkodzenia  lub  zniszczenia
danego  elementu.  Pozwala  to  przy  nabraniu  odpowiedniej  na  określenie  przyczyny  awarii
i analizę przyczyny jej powstania.

6.2.

Wymagane wiadomo

W celu poprawnej analizy próbek i zrozumienia istoty przeprowadzanych badań

makroskopowych, wymagana jest znajomość następujących pojęć:

•

istota badań makroskopowych i ich cel;

•

metodyka przeprowadzenia badań makroskopowych;

•

rodzaje odczynników stosowanych do badań makroskopowych i ich
przeznaczenie;

•

rodzaje przełomów i ich budowa;

•

istota przełomu zmęczeniowego i jego budowa oraz mechanizm powstawania.

6.3.

Przebieg

wiczenia

wiczenie „Badania makroskopowe" podzielone jest na dwie części: teoretyczną

i praktyczną, realizowane w jednym bloku (135 min.).

Część teoretyczna dotyczy:

•

wprowadzenie do tematu;

•

omówienie terminologii dotyczącej badań makroskopowych;

•

przedstawienie podstawowych rodzajów wad i przełomów na podstawie
przygotowanych zdjęć.

Część praktyczna w pełni realizowana przez studentów:

opracował: mgr inŜ. Bartosz Głowacki

wykonać szkice wszystkich przedstawionych próbek z naniesieniem
odpowiedniej struktury i szczegółów budowy charakterystycznych dla danej
próbki;

opisać badany element i przeprowadzić analizę jego przyczyny
uszkodzenia, a dla złącz spawanych wykonać opis strefy wpływu ciepła.

6.4.

Wytyczne do sprawozdania

Sprawozdanie powinno zawierać:

Cel ćwiczenia;

Wiadomości podstawowe dotyczące badań makroskopowych;

Opis przebiegu ćwiczenia;

Rysunki i opis poszczególnych elementów (próbek);

a. na rysunku powinien znajdować się zarys próbki i zaznaczone dla niej

charakterystyczne obszary;

b. w opisie powinny być zawarte dane dotyczące danego elementu

(pochodzenie, materiał, nazwa elementu) oraz wyniki analizy (co
mogło być przyczyną uszkodzenia, a dla przekrojów analizę struktury
materiału i co było przyczyną powstania tego typu wad)

Wnioski.

Literatura

Prowans Stanisław - „Materiałoznawstwo - ćwiczenia laboratoryjne" , Politechnika
Szczecińska;

Prowans Stanisław - „Materiałoznawstwo", PWN 1984;

Wesołowski Kornel – „Metaloznawstwo i obróbka cieplna”, Wydawnictwo Naukowo
Techniczne;

Domke Wilhelm – „Vademecum Materiałoznawstwa”;