WYDZIAŁ INŻYNIERYJNO - EKONOMICZNY TRANSPORTU
LABORATORIUM Z MATERIAŁOZNAWSTWA
TEMAT: BADANIA MAKROSKOPOWE
Nazwisko i imię:	Kierunek: I LiZwEST	Grupa: Bb
Ocena:	Data:	Podpis:

Badania makroskopowe

Badania makroskopowe polegają na obserwacji przygotowanej powierzchni metalu (wyszlifowanej i wytrawionej) a także przełomów elementów metalowych okiem nieuzbrojonym lub przy niewielkim powiększeniu.

Ponieważ obserwacjom makroskopowym podlega duża powierzchnia metalu, badania te pozwalają na zorientowanie się w ogólnym charakterze i rozłożeniu składników strukturalnych, w przeciwieństwie do badań mikroskopowych, które pozwalają na obserwację tylko bardzo małego wycinka przedmiotu.

Cel badań makroskopowych

W badaniach makroskopowych chodzi najczęściej o stwierdzenie, czy w materiale
nie występują określone wady, jak np.:

• pęknięcia płatki śnieżne,

• pęcherze,

• duże wtrącenia niemetaliczne, itp.

Można także wykryć pewne elementy wewnętrznej budowy metalu, jak:

• wielkość ziarna,

• układ włókien w materiałach przerobionych plastycznie,

• miejscowe odkształcenia plastyczne,

• segregację fosforu i siarki.

Zastosowanie badań makroskopowych

Badania te znajdują zastosowanie w:

• ujawnieniu niejednorodności składu chemicznego,

• określeniu struktury pierwotnej (makrostruktury),

• ujawnieniu niejednorodności składu i struktury, wywołanych przez obróbkę cieplną lub cieplno-chemiczną,

• ujawnieniu niejednorodności strukturalnych pochodzenia mechanicznego, a także spowodowanych spawaniem, zgrzewaniem, itp.

• wykryciu wad stanowiących nieciągłości materiałowe,

• wyborze miejsca pobrania próbek do dalszych badań.

Próbka materiału

Próbką do badań makroskopowych powinien być cały przekrój poprzeczny lub też odpowiednio duży wycinek przekroju poprzecznego badanego elementu. W większości przypadków przygotowanie powierzchni badanej metalu polega na tym, że próbkę szlifujemy na papierach ściernych o średniej wielkości ziarna, a następnie trawimy odpowiednimi odczynnikami. Poza tym rozpowszechnione są jeszcze inne specjalne metody badań makroskopowych, jak np. próba przełomu niebieskiego, próba strugania i toczenia schodkowego.

Badania przełomów

Wielu cennych informacji dostarczają także badania makroskopowe przełomów. Postawę wstępnej jakościowej oceny materiału, jego jednorodności i czystości stanowi charakter przełomu, który można podzielić na:

• transkrystaliczny, międzykrystaliczny lub mieszany,

• doraźny lub zmęczeniowy,

• ciągliwy lub kruchy,

• gruboziarnisty lub drobnoziarnisty.

Przełom przebiega przez miejsca najsłabsze, a tym samym może ujawnić wady materiału, jak:

• pozostałość jamy skurczowej,

• płatki śnieżne,

• pęcherze,

• wtrącenia niemetaliczne,

• inne wady.

Ocenę tę przeprowadza się zarówno na przełomach próbek wytrzymałościowych, udarnościowych czy technologicznych (np. próba przełomu niebieskiego),
jak i na przełomach elementów, które uległy zniszczeniu podczas pracy. W ostatnim przypadku przełom ujawnia często przebieg zniszczenia, co ułatwia określenia kierunku badań niezbędnych dla ustalenia jego przyczyny.

Np. przy obserwacji wyglądu przełomów pękniętych części maszyn i innych elementów można określić czy pęknięcie nastąpiło na skutek doraźnego przeciążenia, czy też w wyniku zmęczenia materiału; można również ocenić w przybliżeniu wielkość naprężeń, wielkość ziaren, itp.

Niszczący charakter badań

Wszystkie opisane metody badań strukturalnych, jak również badania właściwości mechanicznych zalicza się do metod niszczących, ponieważ do ich przeprowadzenia konieczne jest w zasadzie wycinanie z badanych elementów odpowiednich próbek. Z tego względu zastosowanie ich do kontroli produkcji może mieć charakter jedynie wyrywkowy.
W przypadku gdy konieczna jest kontrola jednostkowa, musimy posłużyć się takimi metodami badań które nie byłyby związane z niszczeniem czy też uszkodzeniem badanych elementów.

Najbardziej rozpowszechnionymi metodami badań niszczących są:

• badania radiograficzne:
  badania za pomocą promieni Rentgena,
  badania za pomocą promieni γ,

• badania ultradźwiękowe,
  metodą echa,
  metodą cienia,

• badania magnetyczne.

Odczynniki stosowane najczęściej w makroskopowych badaniach stopów żelaza

Odczynnik	Skład chemiczny	Przygotowanie próbki	Warunki trawienia	Zastosowanie
Anczyca	20G siarczanu miedziowego 80G chlorku amonu 1000cm³ wody	Szlifowanie	20ºC 0,5-5 min	Ujawnienie segregacji fosforu, a także węgla; ujawnienie struktury pierwotnej. (Miejsca o podwyższonej zawartości fosforu ciemnieją)
Heyna	10G chlorku miedziowo - amonowego 120 cm³ wody
Oberhoffera	10G chlorku miedziowego 0,5G chlorku żelazowego 500cm³ alkoholu etylowego 500cm³ wody 50cm³ kwasu solnego	Polerowanie	20ºC 10-60 s	Ujawnienie segregacji fosforu; szczególne zastosowanie do ujawnienia struktury pierwotnej. (Miejsca o podwyższonej zawartości fosforu ciemnieją)
Baumana	2-5 cm³ kwasu siarkowego 100 cm³ wody	Szlifowanie (struganie, toczenie)	20ºC 1-5 min	Ujawnienie segregacji siarki. (Miejscom występowania siarczków na powierzchni próbki odpowiadają brązowe plamki siarczku srebra na papierze bromo-srebrowym)
Fry-makro	45-90G chlorku miedziowego 180-120 cm³ kwasu solnego 100 cm³ wody	Szlifowanie	20ºC 5-30 min	Ujawnienie „linii sił” w stalach niskowęglowych skłonnych do starzenia po zgniocie
Roztwór chlorku miedziowo-amonowego	Nasycony roztwór wodny chlorku miedziowo-amonowego	Szlifowanie	20ºC 1-2 min	Ujawnienie płatków śnieżnych

Trawienie odczynnikami chemicznymi

Wykrycie niejednorodności składu chemicznego stopów żelaza sprowadza się często do ujawnienia segregacji zanieczyszczeń fosforu i siarki.

Ujawnienie rozmieszczenia siarki ma na celu nie tylko sprawdzenie makroskopowej jednorodności materiału. W przypadku dużych odkuwek, swobodnie kutych, odbitka Baumanna może służyć do sprawdzenia współosiowości wlewka i odkuwki. Ma to szczególne znaczenie w odniesieniu do takich elementów jak np.: wały wirników turbin, które w skutek rozszerzalności cieplnej mogą przy braku współosiowości wykazywać podczas pracy niekorzystne, niesymetryczne odkształcenia. Przy ujawnieniu rozmieszczenia siarki warto także zwrócić uwagę na możliwość zwiększenia zawartości wtrąceń siarczkowych
w warstwie powierzchniowej przedmiotu. Wynika to zazwyczaj z długiego nagrzewania wsadu w piecach opalanych gazem lub olejem o znacznej zawartości siarki i może być przyczyną powstawania pęknięć podczas obróbki plastycznej na gorąco.

Inne próby pozwalają na:

• ujawnienie segregacji fosforu przez trawienie odczynnikiem Oberhoffera: umożliwia określenie struktury pierwotnej, kształtu i wielkości ziaren;

• określenie rozmieszczenia węgla oraz składników stopowych odczynnikami Anczyca
  i Heyna - może wykazywać nadmierną segregację w stopach lanych,

• trawienie odczynnikiem Fry-makro - umożliwia ujawnienie:

• skłonności stali niskowęglowej do starzenia się oraz przy głębokim trawieniu, zidentyfikowanie wad makroskopowych stanowiących nieciągłości materiału
  tj. pęknięcia, rzadzizny, zawalcowania;

• przebiegu włókien w materiałach walcowanych i kłutych,

• dla ujawnienia płatków śnieżnych stosuje się roztwór wodny chlorku miedziowo-amonowego.

Zależnie od sposobu powstawania przełomy dzieli się na:

• ciągliwe (plastyczne) - gdy na powierzchni są widoczne ślady znacznych odkształceń plastycznych poprzedzających pęknięcie,

• kruche - nie wykazujące na powierzchni wyraźnych odkształceń plastycznych. Przełom kruchy powstaje zwykle nagle, i widać na nim bardzo wyraźną ziarnistą budowę materiału,

• mieszane - gdy występują wyraźne przejścia od części, w której zaszło pęknięcie kruche do części pęknięcia plastycznego i odwrotnie.

Przyjmując powstawanie jako kryterium podziału przełomów rozróżnia się:

• nagłe lub doraźne, które powstały w krótkim czasie,

• zmęczeniowe powstałe w następstwie wielokrotnego obciążenia najczęściej cyklicznie zmiennego, przy czym pęknięcie rozwija się wtedy przez dłuższy czas.

Przełom zmęczeniowy ma charakterystyczny wygląd, gdyż odpowiednio do dwóch etapów zmęczenia ma dwie strefy różniące się wyglądem. Pierwsza strefa ma zwykle wygładzoną powierzchnię i jest nazywana strefą zmęczeniową, druga natomiast
ma strukturę bardziej gruboziarnistą i jest nazywana strefą doraźną.

Ponadto wyróżniamy jeszcze kilka innych rodzajów przełomów.

• włókniste - mogą występować w przedmiotach obrabianych plastycznie
  np.: walcowanych. Powstawaniu pęknięć sprzyja pasmowe rozmieszczenie składników struktury.

• naftalenowe - są gruboziarniste z obszarami gładkimi, występują w stalach narzędziowych, przede wszystkim szybkotnących.

• kamieniste - są również gruboziarniste. Ziarna nie wykazują metalicznego połysku
  i sprawiają wrażenie nadtopionych. Występują w niektórych przegrzanych stalach.

Wady półwyrobów i wyrobów gotowych.

Najogólniej wszystkie wady wyrobów można podzielić na wady: kształtu, powierzchni i wewnętrzne.

Pękanie - utrata spójności materiału w wyniku działania obciążeń zewnętrznych lub naprężeń własnych. Pękanie może być kruche (nie poprzedzone odkształceniem plastycznym) lub ciągliwe. W materiałach krystalicznych następuje przez rozdzielenie płaszczyzn sieciowych lub poślizg (przesuwanie i przemieszczanie się płaszczyzn sieciowych podczas odkształcenia plastycznego). W materiałach polikrystalicznych i szkłach miejscami, gdzie rozpoczyna się pękanie są wewnętrzne skazy oraz mikropęknięcia powierzchni.

Proces pękania przebiega w dwóch etapach:

1. zainicjowanie pęknięcia,

2. rozwój pęknięcia na cały przekrój elementu

Przyczyny pękania:

• pękanie w niskich temperaturach,

• zbyt duża zawartość siarki, fosforu,

• złe materiały lub jakość spawania konstrukcji metalowych.

Informacje o materiale badanym:

1. Frez - wieloostrzowe narzędzie skrawające wykonujące podczas obróbki (Frezowania) ruch obrotowy.

Ze względu na przeznaczenie rozróżnia się frezy do:

• obróbki płaszczyzn,

• do obróbki rowków, gwintów, uzębień itp.

Pod względem konstrukcyjnym frezy dzieli się na:

• walcowe,

• walcowo-czołowe,

• czołowe,

• tarczowe,

• kątowe,

• krążkowe,

• ślimakowe.

Ze względu na sposób zamocowania frezy dzieli się na:

• trzpieniowe,

• nasadzane.

Ze względu na zarys ostrza frezy dzieli się na:

• jednościnowe,

• dwuścinowe,

• łukowe,

• zataczane.

Ze względu na sposób wykonania frezy dzieli się na:

• jednolite,

• niejednolite (np. składane, zgrzewane, o ostrzach wymiennych).

1. Wał korbowy - w silniku tłokowym element obrotowy, do którego zamocowane są korbowody, przekazujące energię ruchu posuwisto-zwrotnego tłoków. Tak zwane wykorbienia (fragmenty wału korbowego złożone z dwóch ramion i łączącego je czopa o osi równoległej do osi wału, na którym to czopie osadzona jest stopa korbowodu wraz z panewką) - w liczbie odpowiadającej liczbie cylindrów (układ rzędowy i boxer), połowie liczby cylindrów (układ widlasty) lub liczbie rzędów cylindrów (układ gwiazdowy) - przesunięte są równolegle do osi wału o odległość równą połowie skoku tłoka. Odbierany z wału korbowego moment obrotowy napędza koła samochodu, śmigła samolotu itp.

2. Tłok - element konstrukcyjny maszyn tłokowych (silników, pomp, sprężarek) współpracujący z cylindrem (uszczelniając go w maszynach o działaniu jednostronnym lub rozdzielając jego komorę w maszynach o działaniu dwustronnym). Pośredniczy w przenoszeniu nacisku czynnika roboczego na inny element maszyny (np. za pomocą korbowodu na wał korbowy w tłokowym silniku spalinowym). Tłok o znacznej długości w stosunku do średnicy nazywany jest nurnikiem.

3. Wałek rozrządu - zespół elementów sterujących wlot i wylot pary w silniku parowym lub wlot i wylot spalin w silniku spalinowym.

Sposób prowadzenia badania, uzyskane wyniki oraz wnioski.

Badanie polega na obserwacji części maszyn i urządzeń oraz ustaleniu rodzajów wad materiałowych okiem nieuzbrojonym:

Przedmiot badań	Wyniki obserwacji okiem nieuzbrojonym
Blok stalowy	widoczne, ok.2,5 cm wyrwy po pęcherzu powietrza, powierzchnia wadliwa ma barwę jaśniejszą od pozostałej części elementu, struktura gruboziarnista, niejednorodność składu chemicznego, przełom kruchy
Wał korbowy silnika	przełom zmęczeniowy, będący prawdopodobnie wynikiem dużych obciążeń, powierzchnia wadliwa jest chropowata i ma barwę jaśniejszą od pozostałej części elementu, brak widocznych włókien, miejscowo występują możliwe do zaobserwowania wtrącenia niemetaliczne, przełom mieszany,
Wał rozrządu	powierzchnia wadliwa jest chropowata i ma barwę jaśniejszą od pozostałej części elementu, struktura gruboziarnista, niejednorodność składu chemicznego, przełom kruchy
Tłok silnika okrętowego (fragment)	przełom zmęczeniowy, będący prawdopodobnie zmęczenia obciążeniowego materiału, struktura gruboziarnista, miejscowo występują możliwe do zaobserwowania wtrącenia niemetaliczne,
Frez obwiedniowy do kół zębatych	wyłamane elementy zębate, będące wynikiem osłabionego przekroju, powierzchnia przełomu w większości gładka, miejscowo chropowata, powierzchnia wadliwa ma barwę jaśniejszą od pozostałej części elementu, niejednorodność składu chemicznego, przełom kruchy
Przeciągacz do powierzchni zewnętrznych	wyłamane elementy zębate, będące wynikiem osłabionego przekroju, powierzchnia wadliwa jest gładka i ma barwę jaśniejszą od pozostałej części elementu, występują pęknięcia powodujące nieciągłości, krawędzie elementy karbowane, nieregularne przełom mieszany,
Przeciągacz do otworów	przełom wystąpił na wysokości pierścienia, w miejscu, gdzie materiał był osłabiony, powierzchnia wadliwa jest gładka i ma barwę ciemniejszą od pozostałej części elementu,

Wykonanie próby baumana

Opis teoretyczny próby:

Badania makroskopowe mają na celu wykrycie bezpośrednio okiem lub przy małym powiększeniu wad materiałów, niejednorodności budowy na skutek przeróbki plastycznej, rozłożenia zanieczyszczeń w metalu, prawidłowości wykonania spoiny i zgrzeiny itp.

Próbę Baumana stosuje się w celu określenia rozmieszczenia w stali zanieczyszczeń siarczkowych, a jednocześnie układów włókien części stalowej, wykonanej drogą obróbki plastycznej. Do próby przygotowujemy podłużny przekrój śruby, nitu lub innej części ukształtowanej przez kucie lub walcowanie. Przekrój ten dokładnie szlifujemy i polerujemy na coraz drobniejszym płótnie ściernym. Przygotowaną powierzchnię próbki zmywamy wodą i alkoholem. Następnie przygotowujemy płytkę szklaną i kładziemy na niej kartkę papieru fotograficznego emulsją do góry. Papier ten należy uprzednio moczyć od trzech do czterech minut w 3%-owym roztworze wodnym kwasu siarkowego. Na tak przygotowany papier kładziemy próbkę wypolerowaną (powierzchnią do emulsji), zwracając uwagę, by szczelnie przylegała. Po upływie od trzech do pięciu minut zdejmujemy próbkę, a papier płuczemy
w czystej wodzie. Następnie odbitkę należy utrwalić przez około 10 minut w zwykłym utrwalaczu fotograficznym, przemyć w wodzie i wysuszyć. Powstający w wyniku reakcji chemicznych siarczek srebra ma zabarwienie ciemnobrunatne i wykazuje na odbitce miejsca ułożenia wtrąceń siarczkowych (przeważnie między włóknami struktury):

FeS + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂S

2AgBr + H₂S = Ag₂S + 2HBr

Przebieg próby:

Do próby przygotowana była prostopadłościenna próbka stali. Powierzchnia interesująca nas pod względem badania została oczyszczona i przetarta alkoholem. Następnie papier fotograficzny został umieszczony w kuwecie z roztworem wodnym kwasu siarkowego na około 10 minut. Po tym czasie został wyjęty z kuwety, osuszony i położony na podstawce z tworzywa sztucznego (emulsją do góry). Na papierze położono badaną próbkę stali (w taki sposób aby interesująca nas strona leżała na emulsji). Próbkę dociśnięto do papieru. Po 10 minutach próbka została zdjęta, a papier fotograficzny opłukany bieżącą wodą. Ze względu na satysfakcjonującą jakość zdjęcia dołączono je do sprawozdania.




Ciemnobrunatne miejsca na zdjęciu wykazują na odbitce miejsca ułożenia wtrąceń siarczkowych .

12

---