Badania metalograficzne

Badania metalograficzne łącznie z innymi sposobami badania metali, jak analiza składu chemicznego, badania rentgenograficzne, badania własności mechanicznych itd. , pozwalają przewidzieć zachowanie się metali i stopów metali w warunkach praktycznego ich stosowania. Na podstawie tych badań można dokonać zarówno soboru najwłaściwszego do danego celu materiału konstrukcyjnego, jak i sprawdzić i korygować takie procesy technologiczne jak obróbka cieplna, przeróbka plastyczna, czy spawanie. Istotną rolę badania metalograficzne spełniają w kontroli jakości gotowych wyrobów przemysłowych. Ogólnie badania metalograficzne dzieli się na badania makroskopowe i badania mikroskopowe.

Badania makroskopowe przeprowadza się nieuzbrojonym okiem lub pod niewielkimi powiększeniami, zwykle nie przekraczającymi 30 x . Badania te przeprowadza się, bądź bezpośrednio na powierzchni wyrobu (np. na odlewach, odkuwkach), bądź na przełomach lub specjalnie przygotowanych przekrojach (zwanych zgładami) badanego elementu.

Badania makroskopowe pozwalają określić :

a)      wady materiałowe, jak na przykład pęcherze gazowe, zażużlenia, jamy skurczowe, rzadzizny, czy pęknięcia w wyrobach odlewanych, obrabianych cieplnie lub spawanych,

b)      budowę metali i ich stopów, a więc ,wielkość, kształt i rozmieszczenie poszczególnych krystalitów (jeśli nie są one zbyt małe), a także ewentualną likwacją spowodowaną  procesem krzepnięcia,

c)      niejednorodność budowy materiału wywołaną bądź przeróbką plastyczną ( włóknistość, linie zgniotu) bądź obróbką cieplną lub cieplno – chemiczną ,

d)      jakość połączeń spawanych, zgrzewanych i lutowanych.

 

 Do badań makroskopowych stosuje się próbki różnej wielkości, zależnie od wymiarów badanego przedmiotu. Małe przedmioty bada się przeważnie w całości, z dużych wycina się jedną lub kilka próbek w ten sposób by były one możliwe reprezentatywne dla całego elementu. Istotną rzeczą jest właściwe określenie powierzchni przeznaczonej do badania. Tak np. przedmioty odlewane bada się na przekrojach prostopadłych do powierzchni. Przedmioty kute, walcowane, obrabiane cieplnie bada się na przekrojach poprz4ecznych i podłużnych.

Pobieranie próbek wymaga dużej staranności i uwagi, gdyż cięcie materiału może lokalnie zmienić jego strukturę, co z kolei może prowadzić później do wyciągnięcia fałszywych wniosków z przeprowadzonych badań. Cięcie wykonuje się najczęściej palnikiem acetylenowo – tlenowym, za pomocą piły mechanicznej lub przecinarki ściernicowej. Lokalne przegrzanie materiału występuje najwyraźniej przy cięciu palnikiem, natomiast przy innych wymienionych sposobach cięcia może być zmniejszone przez użycie chłodziw.

Odcinanie próbek za pomocą palnika acetylenowo – tlenowego jest stosowane na ogół przy większych przedmiotach. W celu uniknięcia wpływu nagrzania materiału przewiduje się naddatki, usuwane następnie za pomocą obróbki skrawaniem. Wielkość naddatków zależy od rodzaju palnika, grubości przecinanego materiału, jego składu chemicznego i stanu nadanego ostatnią obróbką cieplną. W praktyce wielkość naddatków ustala się doświadczalnie, przy czym istotną jest tu znajomość procesów obróbki cieplnej, jakim podlegał badany materiał. I tak np. dla próbek stalowych hartowanych należy przewidzieć istotnie większe naddatki niż dla wyżarzonych.

Przy pobieraniu próbek może nastąpić także miejscowe odkształcenie plastyczne, co również może prowadzić do wyciągania fałszywych wniosków w późniejszych badaniach.

Po odcięciu próbki usuwa się naddatek i wyrównuje powierzchnię przekroju przy pomocy obróbki skrawaniem. Tak przygotowaną powierzchnię można od razu poddać obserwacji, czy też trawieniu odpowiednim odczynnikiem. Często obserwacje lub trawienie poprzedza szlifowanie powierzchni próbki papierem ściernym o coraz drobniejszym ziarnie. Przed trawieniem powierzchnia próbki powinna być dokładnie umyta wodą i odtłuszczona spirytusem.


Małe próbki do badań makroskopowych trawi się w wanienkach, układając je powierzchnią badaną do góry lub na bok. Odczynnik trawiący powinien pokrywać całkowicie próbki. Próbki duże oblepia się papierem woskowym, tworząc na ich powierzchni rodzaj wanienki, do której wlewa się odczynnik. Po wytrawieniu przemywa się próbkę w bieżącej wodzie i suszy strumieniem powietrza.

Bardzo dobre wyniki dają obserwacje prowadzone bezpośrednio po wypłukaniu w wodzie ( „na mokro”). Uwaga ta dotyczy szczególnie fotografowania. Fotografie wytrawionych powierzchni wykonane „na mokro” są kontrastowe i przedstawiają powierzchnię badaną ze wszystkimi szczegółami makrostruktury, bez plam i zacieków. Fotografie „na mokro” wykonuje się umieszczając próbkę badaną w wanience wypełnionej wodą, tak, by powierzchnia fotografowana znajdowała się nieco poniżej poziomu wody.

Odczynniki do badań makroskopowych są zwykle roztworami kwasów nieorganicznych lub soli i ze względu na przeznaczenie dzieli się je na dwie grupy:

a)      odczynniki do głębokiego trawienia

b)      odczynniki do powierzchniowego trawienia.

Odczynniki do głębokiego trawienia są wodnymi roztworami jednego lub kilku kwasów i działają silnie korodująco na powierzchnię metalu . działanie to jest jednak szybsze w miejscach gdzie występują jakiekolwiek nieciągłości, a więc pory, zażużlenia, pęknięcia, czy rzadzizny. Podobnie silniej wytrawiają się miejsca niejednorodne pod względem struktury i składu chemicznego, dzięki czemu uwidaczniają się osie dendrytów, włóknistość w przedmiotach walcowych, warstwy zahartowane, spoiny itd. Często dla przyspieszenia wytrawiania stosuje się podgrzewanie odczynnika do 60 – 95 °.

Odczynniki do powierzchniowego trawienia są najczęściej odczynnikami miedziowymi, tzn. zawierającymi sole miedzi. Skład chemiczny i zastosowanie ważniejszych odczynników do badania makrostruktury stopów żelaza podano w tabeli 1.

 

Niektóre odczynniki do badania makrostruktury stopów żelaza wg PN-61/H-04502.

Przeznaczenie

odczynnika

Zastosowanie odczynnika

odczynnik

Działanie

Sposób trawienia

Symbol (nazwa)

Zalecany skład  chemiczny

Do głębokiego trawienia

Ujawnia nieciągłości materiału, wtrącenia niemetaliczne oraz układ włókien stopów żelaza przerabianych plastycznie

Ma 4 Fe odczynnik do głębokiego trawienia

100 ml. HCL cz.d.a(1,19) 100 ml .H2O (dest).

Korodujące – wyżera wtrącenia niemetaliczne, silnie atakuje brzegi nieciągłości materiału

Zazwyczaj wystarcza zgrubna obróbka mechaniczna badanych powierzchni.

Trawić pod wyciągiem w temp. 60 – 70 °C

Ma 5 Fe odczynnik Jacewicza

38 ml. HCL (1,19) 12 ml. H2SO4 (1,83) 50 ml. H2O (dest).

Do powierzchniowego trawienia

Ujawnia segregacje fosforu i węgla oraz w pewnej mierze strukturę pierwotną

Ma 1 Fe odczynnik Heyna

10 g CuCl2

2NH4CL

2H2O

100 ml. H2O (dest).

Elektrolityczne – żelazo ulega rozpuszczeniu, miedź osadza się na powierzchni zgładu. Miejsca bogatsze w fosfor barwią się na brunatno, bogatsze zaś w węgiel – na ciemno lub szaro.

Szlifowanie próbki zakończyć papierem ściernym średniej grubości ziarna. Osadzająca się podczas trawienia na powierzchni próbki warstwę miedzi spłukać strumieniem wody, przecierając zgład watą. Czas trawienia 0,5 – 5 minut. Gdy powierzchnia zgładu jest zbyt gładka, warstwa miedzi przylega bardzo mocno.

Usunięcie miedzi przyśpiesza zmywanie zgładu wodnym roztworem amoniaku o składzie 3 cz. Obj. NH4OH (0,91) + 2 cz. Obj. H2O.

Ujawnia segregację fosforu i strukturę pierwotną

Ma 2 Fe odczynnik Oberhoffera

500 ml. H2O (dest) 500 ml. C2H5OH

0,5 g CuCl2

0,5 g SnCl2

30 g FeCl3­

50 ml. HCL (1,19)

Miejsca wolne od fosforu ulegają wytrawieniu i ciemnieją, zacierające zaś fosfor pozostają nienaruszone – błyszczące

Próbkę bardzo gładko wyszlifować lub wypolerować. Dla uzyskania dobrego trawienia kwas solny dodaje się na końcu. Czas trawienia – kilka sekund do 2 minut. Warstwę miedzi usuwa się ze zgładu jak dla Ma 1 Fe

Ujawnia rozmieszczenie siarki i częściowo fosforu

 Uwaga : może być wykorzystywany również do głębokiego trawienia (Ma7Fe wg PN-61/H-01502)

Na 3 Fe odczynnik Baumana

5 ml. H2SO4 (1,84) 100 ml. H2O (dest)

Za pośrednictwem kwasu siarkowego wtrącenia siarczków żelaza i manganu wywołują reakcję bromku srebra na papierze fotograficznym na brązowy siarczek srebra. Fozforki8 pozostawiają na papierze plamy jaśniejsze od siarczków

Szlifowanie próbki zakończyć na papierze ściernym średniej grubości ziarna. Fotograficzny papier bromo – srebrowy moczyć w odczynniku przez 2 –5 minut następnie suszyć bibułą, położyć na zgład i przycisnąć wałkiem gumowym. Po 1 – 2 minutach (niekiedy po 15 minutach) papier zdjąć utrwalić w obojętnym utrwalaczu fotograficznym przez 10 – 20 minut przemyć wodą i suszyć. Próbę należy wykonać w temp. 17 – 20 °C

Ujawnia miejscowe odkształcenia plastyczne w stalach węglowych zwierających azot, z wyjątkiem stali nie starzejących się.

Ma 8 Fe odczynnik Fry

120 ml. HCL (1,19) 20 g CuCL2 100 ml. H2O (dest)

Atakuje strefy w których została przekroczona granica plastyczności ujawniając je w postaci tzw. linii działania sił.

Przed wykonaniem zgładu zaleca się podgrzewać próbkę do temp. 150 –300 °C i wytrzymać ją w tej temp. w ciągu 1 godziny. Wypolerowany zgład trawić w odczynniku w ciągu 1 – 3 minut, pocierając watą, często zanurzając w odczynniku i sproszkowanym chlorku miedziowym. Ujawnienie się „linii działania sił” następuje zazwyczaj po upływie około 20 minut. Z tą chwilą zgład spłukać najpierw 50 % roztworem kwasu solnego (1,19) następnie wodą  i suszyć strumieniem ciepłego powietrza.

Ujawnia grubość warstwy nawęglonej

Ma 14 Fe

5 –10 ml. HNO (1,42) 90 –95 ml. C2H5OH

Warstwa nawęglona barwi się na ciemno

Próbkę należy oszlifować na papierze ściernym średniej grubości ziarna. Trawić w temp. pokojowej. Po trawieniu próbkę przepłukać spirytusem z dodatkiem kwasu solnego, przemyć wodę, po czym suszyć.

Ujawnia grubość warstwy odwęglonej

Ma 15 Fe

Warstwa odwęglona pozostaje jasna

Próbkę wypolerowaną, trawić, płukać i suszyć jak dla Ma 14 Fe

Wykrywa grubość warstwy zahartowanej

Ma 16 Fe

Warstwa zahartowana barwi się na kolor ciemny, nie zahartowana na znacznie jaśniejszy

Próbkę szlifować na papierze ściernym średniej grubości ziarna. Trawić, płukać i suszyć jak dla Ma 14 Fe.

 

 

  

Wady naruszające spójność materiału, takie jak pęcherze gazowe, pory i jamy skurczowe, rzadzizny, zawalcowania, pęknięcia, są widoczne często na powierzchni zgładu bez specjalnego przygotowania. Nieciągłości mało widoczne lub niewidoczne ujawnia się trawiąc powierzchnię zgładu odczynnikiem do głębokiego trawienia. Odczynniki te są zwykle roztworami jednego lub kilku kwasów i działają korodująco na powierzchnię zgładu. Działanie to jest jednak niejednakowe i przebiega szybciej w miejscach występowania por, pęknięć i rzadzizn materiałowych, a więc w miejscach o większej powierzchni.


Pojęcie struktury pierwotnej jest umowne; przyjmuje się, że powstaje ona w wyniku fizykochemicznego procesu krzepnięcia. Struktura odlewu, podobnie jak i struktura stalowego wlewka dzieli się na kilka stref, powstałych w wyniku różnych warunków krystalizacji. Każda strefa ma inną wielkość o kształt ziarn oraz ilość zanieczyszczeń. W obrębie każdego ziarna pierwotnego występuje segregacja składu chemicznego proporcjonalna  do różnicy temperatur między likwidusem a solidusem. Przy krzepnięciu ferrytu a(d) lub austenitu osie dendrytów są bogatsze w żelazo, a części stopu krzepnące później zawierają więcej fosforu i węgla. Segregacja ta tylko częściowo zanika podczas stygnięcia zakrzepłej stali, kiedy ziarna pierwotne ferrytu a(d) lub austenitu przechodzą przemiany alotropowe. Szczególnie trudna do usunięcia jest niejednorodność rozmieszczenia fosforu, wobec utrudnionej dyfuzji tego pierwiastka.

W praktyce zachodzi niekiedy konieczność określenia, czy element konstrukcyjny jest wykonany ze stali czy też staliwa. Można to łatwo określi po wytrawieniu zgładu selektywnie działającymi odczynnikami Heyna lub Oberhoffera, które ujawniają miejsca o obniżonej zawartości fosforu i tym samym uwidaczniają kształt, wielkość i układ ziarn pierwotnych a przez to i rodzaj struktury pierwotnej. Próbki staliwa mają strukturę dendrytyczną lub globulityczną, a próbki z materiału przerobionego plastycznie – strukturę pasmową. Na fot. 4 przedstawiono strukturę pierwotną (dolna część fotografii) odlewu ze staliwa węglowego (0,25 % C) ujawnioną odczynnikiem Oberhoffera. Ujawniona struktura pierwotna jest dendrytyczna. Miejsca bogate w żelazo (osie dendrytów) uległy wytrawieniu na kolor ciemny. Przestrzenie między dendrytyczne, bogate w fosfor, pozostały jasne. Dla porównania w górnej części fotografii 4 przedstawiono strukturę wtórną ujawnioną poprzez trawienie 10 % roztworem kwasu azotowego w alkoholu etylowym. Struktura wtórna jest ferrytyczno – perlityczna o układzie Widmannstattena. Na fot. 5 przedstawiono strukturę pierwotną odlewu ze staliwa węglowego (0,20 % C) ujawnioną odczynnikiem Oberhoffera i obserwowaną pod mikroskopem w polu ciemnym.

 

 

Ujawnienie likwacji (segregacji) siarki i fosforu.

 

Siarka w stali jest domieszką wybitnie szkodliwą i jej zawartość w stali nie może przekraczać 0,05 % . ponieważ  rozpuszczalność siarki w żelazie jest bardzo mała, 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 kruchość w dwu zakresach temperatur : 800 do 1000 °C – wskutek niedostatecznej plastyczności siarczków i powyżej 1200 °C – wskutek topienia się siarczków /temperatura topnienia FeS wynosi 1190 °C/.  Efektem tych zjawisk jest zanik spójności między ziarnami. Przy normalnie spotykanych zawartościach siarki niższy zakres kruchości 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 /ok. 940 °C/ niż eutektyka Fe - FeS /988 °C/. Podobnie jak niewystarczające odtlenienie wpływają pierwiastki stopowe, tworzące niskotopliwe siarczki: Ni, Co i Mo. Natomiast pierwiastki tworzące siarczki o wyższych temperaturach topnienia, jak: Mn, Cr, Ti i Zr, przeciwdziałają kruchości na gorąco, spowodowanej przez siarkę. Siarczki zawierające te pierwiastki nie tworzą ciągłej siatki na granicach ziarn, lecz pojedyncze wtrącenia, znacznie mniej szkodliwe. Niekorzystne rozmieszczenie siarczków na granicach ziarn można również częściowo usunąć poprzez dłuższe wygrzewanie w zakresie 1000-1100 °C, podczas którego zachodzi koagulacja wydzieleń.

Ujawnienie likwacji siarki /zanieczyszczeń siarczkowych/ przeprowadza się najczęściej przy pomocy próby Baumana. Papier fotograficzny moczy się w 2-5 % wodnym roztworze kwasu siarkowego przez kilka minut, osusza bibułą z nadmiaru kwasu, kładzie na zgład emulsją 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 + 2HBr

Powodując powstanie na papierze zaciemnień siarczkiem srebra, wielkością i kształtem odpowiadającym 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, płucze w wodzie przez ok. 30 minut i suszy.

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

Na fot. 6 przedstawiono wynik przeprowadzonej próby Baumana złącza spawanego ze stali 10 H2M. W próbie tej zwraca uwagę brak wtrąceń siarczkowych w spoinie, co świadczy o wysokiej jakości materiałów spawalniczych użytych do spawania.

Fosfor podobnie jak siarka należy do domieszek niepożądanych. Rozpuszcza się w ferrycie, powodując wzrost jego twardości i obniżenie plastyczności. Poza tym, posiada istotną skłonność do segregacji. Segregacja fosforu jest jedną z głównych przyczyn występowania struktury pasmowej w wyrobach walcowanych. Poza tym, powoduje większą kruchość, niż można by przewidzieć z jego przeciętnej zawartości w stali.

Do ujawnienia rozmieszczenia fosforu używa się odczynnika Heyna lub Oberhoffera.

Skład chemiczny i sposób działania tych odczynników podano w tabeli 1, oraz częściowo w p. 2.3.2.

 

 Ujawnienie włóknistości.

 

Podczas przeróbki plastycznej na gorąco przez kucie lub walcowanie, pierwotne ziarna zmieniają swój kształt stając się coraz bardziej wydłużone, aż w końcu pękają i rozdrabniają się tracąc swój dendrytyczny charakter. Niejednorodność składu chemicznego spowodowana dendrytycznym krzepnięciem zostaje również zniekształcona. Wtrącenia niemetaliczne – tlenki, krzemiany, siarczki, układają się w równoległe pasma, przy zachowaniu jednakże pierwotnego charakteru rozłożenia w przekroju poprzecznym wlewka. Prowadzi to do powstania tzw. struktury włóknistej na przekroju podłużnym. Budowa włóknista stali nadaje jej własności anizotropowe. Próbki wycięte wzdłuż włókien wykazują inne własności mechaniczne niż próbki wycięte w poprzek włókien. W elementach przerobionych plastycznie, narażonych podczas pracy na duże obciążenia włókna powinny przebiegać równolegle do powierzchni, w przeciwnym przypadku mogą stać się, przy niekorzystnym rozkładzie naprężeń, początkiem pęknięć.

Z tego też powodu, po przeróbce plastycznej pewien procent wyrobów poddaje się badaniom makroskopowym.

Przy ujawnieniu struktury włóknistej stosuje się zarówno odczynnik do ujawnienia struktury pierwotnej, jak i odczynniki do głębokiego trawienia.


Ujawnienie linii odkształceń / „w linii działania sił”/

 

Do ujawniania miejsc w stalach węglowych, w których przekroczona została granica plastyczności podczas przeróbki plastycznej na zimno stosuje się odczynnik Fry. Skład chemiczny tego odczynnika podano w tabeli 1. Odczynnik Fry atakuje silniej miejsca, w których nastąpiło przekroczenie granicy plastyczności zabarwiając je na ciemno. Przy dużych odkształceniach jest tak dużo linii odkształceń, że uwidaczniają się one jako ciemne plamy.

Na fot. 10 przedstawiono „linie działania sił” ujawnione odczynnikiem Fry w blaszce stalowej ściskanej w prasie cylindrycznej.

 

 Ujawnianie niejednorodności struktury i składu chemicznego.

 

Niejednorodność struktury i składu chemicznego może być spowodowana przez zabiegi takie jak: obróbka cieplna, cieplno-chemiczna, miejscowy zgniot, itp. Niejednorodności te mogą być wykryte również na przełomie, jednakże na wytrawionym zgładzie zakresy o odmiennej strukturze są wyraźniej widoczne.

Głębokość warstwy nawęglonej, odwęglonej i zahartowanej ujawnia się w stali trawiąc zgłady 5-10 % alkoholowym roztworem kwasu azotowego.

 

  Badania przełomów.

 

Badania makroskopowe przełomów stanowią ważny wskaźnik oceny materiału. Pozwalają one na przybliżone określenie wielkości, kształtu i ułożenia kryształów, przebiegu przełomu /przez ziarna, czy po granicach ziarn/, większych wtrąceń niemetalicznych, nieciągłości materiałowych, itp.

Przy stałej kontroli przełomów podczas obróbki cieplnej lub cieplno-chemicznej można wyciągnąć wnioski dotyczące prawidłowości parametrów samych procesów poprzez określenie grubości charakterystycznych stref i wielkości ziarn. Grubość warstwy zahartowanej jest łatwa do określenia na przełomie, wobec wyraźnej różnicy wielkości ziarn części nie zahartowanej i zahartowanej. Podobnie można określić grubość warstwy nawęglonej – po zahartowaniu warstwa ta ma bardziej drobnoziarnistą strukturę od nie nawęglonego rdzenia.

Wielkość ziarn na przełomie można określić przez porównanie ich z ziarnami przełomów wzorcowych. W Polsce przyjęto skalę wzorców zbliżoną do skali szwedzkiej Jernkontoret /PN-66/H-04507/.

Badanie przełomów zahartowanych próbek węglowych stali narzędziowych stanowi metodę oceny ich hartowności.

Na podstawie obserwacji przełomu można również wnioskować o przyczynie pęknięcia elementu konstrukcyjnego.

 

Próba przełomu niebieskiego. /PN-60/H-04509/

 

Celem próby jest ujawnienie wewnętrznych wad makroskopowych w stalach konstrukcyjnych węglowych i stopowych badanych w stanie przerobionym plastycznie.

Grubość przedmiotu, z którego pobiera się próbki, powinna wynosić co najmniej 40 mm. Próbki w kształcie płytek odcina się na zimno lub gorąco w ten sposób, aby obejmowały cały przekrój poprzeczny, a płaszczyzna przełomu była równoległa do kierunku największej przeróbki plastycznej, tj. do kierunku włókien. Na próbce nacina się ostry karb dla ułatwienia złamania. Karb należy wykonać w ten sposób, aby nie zmniejszyć zbytnio powierzchni przełomu przeznaczonego do obserwacji. Zaleca się aby grubość próbki w miejscu karbu wynosiła 18 do 25 mm. Karb powinien znajdować się w płaszczyźnie przechodzącej przez oś przedmiotu, z którego pobrano próbkę.


Próbkę nagrzewa się do temperatury o 100-150 °C wyższej od temperatury niebieskiego nalotu. Po wyjęciu próbkę umieszcza się w imadle lub na prasie i nacina pilnikiem obserwując tworzące się barwy nalotowe, jakie powstają na rysie. W chwili gdy świeża rysa przybiera barwę niebieską, próbkę należy złamać i pozostawić na powietrzu do zupełnego ostygnięcia.

Przełom obserwuje się nieuzbrojonym okiem, oceniając występujące w nim wady zgodnie z PN-60/H-04509:

a)      wtrącenia niemetaliczne – widoczne na tle zabarwionego na niebieski kolor przełomu jako jasne nitki. Ocenę stopnia zanieczyszczenia stali przeprowadza się przy pomocy zanieczyszczonych w normie wzorców rysunkowych i danych liczbowych, podając liczbę wtrąceń, długość, grubość, rozmieszczenie i ich kontrastowość względem tła

b)      ślady jamy usadowej i ich nasilenie wg wzorców rysunkowych

c)      wtrącenia szamotowe i ich rozmieszczenie wg wzorców rysunkowych

d)      przełom kamienisty powstający wskutek przegrzania stali, po którym zastosowano nieznaczny stopień przeróbki plastycznej na gorąco. Wada ta dyskwalifikuje materiał niezależnie od jej nasilenia, dlatego nie stosuje się dokładniejszych określeń nasilenia, niezależnie od wielkości i rozmieszczenia ziarn kamienistych na przełomie

e)      płatki – występujące na przełomach w postaci plam okrągłych lub owalnych o wyraźnie odmiennym zabarwieniu od reszty przełomu. Płatki te są to ślady pęknięć spowodowanych obecnością naprężeń własnych i nadmiernych ilości wodoru wydzielającego się ze stali przerobionej plastycznie na gorąco, przy szybkim chłodzeniu w zakresie poniżej 200 – 250 °C. Wada ta dyskwalifikuje materiał niezależnie od jej nasilenia.


 Próba przełomu ulepszonego cieplnie.

 

Próba ta ujawnia te same wady co próba przełomu niebieskiego. Obrazy wad na przełomach ulepszonych cieplnie są jednak mniej kontrastowe niż na przełomach niebieskich. Próbkę pobraną i przygotowaną w taki sam sposób jak do próby przełomu niebieskiego obrabia się cieplnie , hartując a następnie odpuszczając przy 550 – 600 °C. Tak obrobioną próbkę łamie się na prasie i powierzchnię przełomu obserwuje się okiem nieuzbrojonym oraz określa widoczne wady wewnętrzne.

 

 Badanie przełomów.

 

Zbadanie charakteru przełomu powstałego podczas pracy określonego elementu konstrukcji pomaga często w ustaleniu przyczyny zniszczenia. Przełom może mieć charakter nagły (doraźny) lub zmęczeniowy powstający podczas dłuższego okresu czasu. Przełomy zmęczeniowe wyróżniają się wyraźnie zaznaczoną dwustrefowością wynikającą ze sposobu powstawania przełomu. Dwustrefowość tę tworzą strefy złomu zmęczeniowego i złomu resztkowego. W miarę działania obciążeń zmęczeniowych powstaje pęknięcie pierwotne w postaci mikropęknięcia. Ogniska złomu, z których rozwijają się mikropęknięcia, znajdują się z reguły na powierzchni elementu w miejscach spiętrzenia naprężeń lub różnego rodzaju wad. Mogą to być np. wtrącenia niemetaliczne, pęknięcia hartownicze, ślady po obróbce skrawaniem itp. Jednoczesna lub prawie jednoczesna inicjacja pęknięć jest oczywiście możliwa z kilku ognisk. Ma to miejsce w przypadku istnienia wielu wad, zwłaszcza w częściach silnie obciążonych lub z silnymi spiętrzeniami naprężeń.

W elementach z umocnioną warstwą wierzchnią, jak azotowanych, nawęglanych i hartowanych lub powierzchniowo hartowanych – pęknięcia powstają zazwyczaj na granicy warstwy i rdzenia.

Strefę wokół ognisk nazywa się strefą przyogniskową. Jest ona zwykle błyszcząca, o bardzo drobnoziarnistym wyglądzie i o bardzo małej chropowatości. Ze strefy przyogniskowej rozprzestrzenia się pęknięcie sukcesywnie wraz ze wzrostem liczby cykli w głąb materiału, tworząc strefę zmęczeniową. Strefa zmęczeniowa odznacza się na ogół dużą gładkością i to tym wyższą, im niższe działały naprężenia zmęczeniowe – w więc, im dłuższy był czas rozwijania się głównego pęknięcia zmęczeniowego.

Powierzchnię tej strefy porównuje się z powierzchnią muszlową z zaznaczonymi liniami zmęczeniowymi. Linie zmęczeniowe, zwane także liniami spoczynkowymi lub umocnienia, określają położenie czoła głównego pęknięcia. Linie zmęczeniowe są wywołane najprawdopodobniej zatrzymaniem się lub zmniejszeniem się prędkości rozwoju pęknięcia z różnych 

Przyczyn zewnętrznych i wewnętrznych. W liniach mogą znaleźć swoje odbicie te wartości amplitudy naprężenia, które nie przyczyniają się do chwilowego wzrostu pęknięcia – po okresach działania wartości wyższych. Notuje się wzrost umocnienia w miejscach linii. Brak linii zmęczeniowych świadczyć może o ustalonej i ciągłej pracy elementów przy niezmiennej amplitudzie naprężenia. Regularny układ linii sygnalizuje o regularnych; okresowo zmiennych warunkach obciążenia. Nieregularne odstępy między liniami mogą być spowodowane różnie powtarzającymi się zmianami obciążenia w czasie pracy układu.

Linie te widać wyraźnie na fot. 13 i14. Charakterystyczną muszlową powierzchnię posiada strefa zmęczeniowa przełomu przedstawionego na fot. 15. Brak linii zmęczeniowych jest natomiast widoczny na przełomie przedstawionym na fot. 16.

Coraz silniejsze osłabienie elementu przez postępujące pęknięcie prowadzi na ogół do gwałtownej dekohezji. Tę szybko zniszczoną, końcową część przełomu nazwano złomem lub strefą resztkową.


 Ujawnienie wad wewnętrznych próba toczenia lub strugania schodkowego (PN-60/H-04508).

 

Próba ta stosowana jest w celu wykrycia oraz oceny ilości i wielkości nieciągłości materiałowych wewnątrz stali, spowodowanych głównie wtrąceniami niemetalicznymi i niezgrzanymi pęcherzami. Polega ona na obtoczeniu lub zestruganiu kolejnych kilku warstw badanej próbki i stwierdzeniu nieuzbrojonym okiem na świeżo obrobionych powierzchniach ujawnionych nieciągłości. W przypadkach wątpliwych można posłużyć się lupą o 5- krotnym powiększeniu lub wytrawić skrawaną powierzchnię stali wodnym roztworem kwasu siarkowego. Próbę stosuje do prętów, kęsisk lub kęsów oraz rur grubościennych walcowych, ciągnionych lub kutych. Próbki obcina się tak, aby włókna miały kierunek równoległy do osi i wykonuje wg rys.4, zależnie od rodzaju stosowanej próby.

Próba toczenia głęboka (typ A) stosowana jest dla zbadania warstw w całym przekroju elementu, natomiast próba płytka (typ B) – tylko dla zbadania warstw wierzchnich. Ocena materiału następuje na podstawie rodzaju próby oraz dopuszczalnego stopnia nasilenia nieciągłości na określonych schodkach.

 

 Badania makroskopowe złącz spawanych.

 

Badania makroskopowe złącz spawanych wykonuje się przy kontroli jakości spawania i przy kwalifikowaniu spawaczy. Badania te umożliwiają:

a)      ujawnienie błędów kształtu geometrycznego i wymiarów poprzecznych spoiny,

b)      ujawnienie wad budowy spoiny (rozlewy i nawiasy, bark przetopu, podtopienia, wycieki, przyklejenia),

c)      ujawnienie nieciągłości metalu spoiny i złącza (porowatość, zażużlenie, pęknięcia)

d)      określenie jakości wtopienia i szerokości strefy wpływu ciepła w materiale rodzimym.

 


Pobieranie próbek do badań makroskopowych wiąże się z częściowym lub całkowitym uszkodzeniem badanego przedmiotu. Dlatego dla kontroli jakości ważnych konstrukcji spawanych jak zbiorniki i rurociągi ciśnieniowe, wykonuje się dodatkowo tzw. płyty próbne (kontrolne) o odpowiednich wymiarach, złożone z odcinków materiału rodzimego i spawane w tych samych warunkach i tymi samymi środkami, którymi wykonano konstrukcję.

Próbki do badań makroskopowych pobiera się z płyt próbnych i przygotowuje w sposób opisany w pkt.2.1. Należy przy tym pamiętać, że przekrojem charakterystycznym dla złącz spawanych jest przekrój poprzeczny do spoiny i że próbka powinna obejmować całą spoinę, strefę wtopienia, strefę wpływu ciepła i fragment niezmienionego materiału rodzimego.

Najczęściej stosowano odczynniki do ujawnienia makrostruktury złącz spawanych przedstawiono w tabeli 2. Są to odczynniki do powierzchniowego trawienia.

W szczególnych przypadkach stosuje się również odczynniki do głębokiego trawienia przedstawione w tabeli 1.

 

Zastosowanie odczynnika

Odczynnik

Działanie

Sposób trawienia

Symbol (nazwa)

Zalecany skład chemiczny

Do badania spoin

Ma 11 Fe odczynnik Adlera

3gCuCl2 2HN4Cl 2H2O 25 ml H2O (dest.) po rozpuszczeniu dodać 50 ml HCL (1,19) 15 g FeCl3

Wyraźnie ujawnia spoiny i warstwy napawane

Zgład trawić w temperaturze pokojowej. Po trawieniu zgład płukać strumieniem wody, następnie alkoholem etylowym lub denaturatem, po czym suszyć strumieniem ciepłego powietrza

Do badania spoin oraz miejsc, w których nastąpiło przegrzanie przy zbyt ostrych warunkach szlifowania

Ma 20 Fe

10 do 20 ml HNO3 (1,42) 90 do 80 ml C2H5OH

Ujawnia budowę stalowych złącz spawanych

j.w.