Ekspertyza metalograficzna - określenie wad wewnętrznych stali i żeliwa
I. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami określania wad wewnętrznych stali i żeliwa oraz ich wpływem na zniszczenie łożyska.
II. Wiadomości uzupełniające.
Uszkodzenia części maszyn i urządzeń wywołane są najczęściej wadami wewnętrznymi i powierzchniowymi części, powstałymi podczas procesów technologicznych lub już w czasie pracy wyrobu. W celu wyjaśnienia przyczyn powstawania uszkodzenia trzeba przeprowadzić szereg badań metalograficznych.
Do takich badań zaliczamy:
- badania chemiczne, czyli określenie procentowej zawartości składników stopowych,
- badania mechaniczne, czyli określenie własności wytrzymałościowych, jak np. Rm i Rc,
- badania metalograficzne, czyli określenie struktury stopu,
- badania defektoskopowe,
czyli wykrywanie wad wewnętrznych.Przyczyną nieodpowiednich własności wyrobów lub półwyrobów stalowych są niekiedy wady pochodzenia hutniczego ( wynikające z nieprawidłowości procesu stalowniczego, obróbki plastycznej, walcowania, kucia ).Do wad pochodzących z procesu stalowniczego należą wtrącenia obcego materiału oraz anormalność struktury stali. Podczas obróbki plastycznej najczęstszymi wadami są: zawalcowania, zakucia, skupienia węglików w stalach ledeburytycznych oraz pasmowość struktury. Wtrącenia obcych faz różnią się od metalu zasadniczego składem chemicznym i własnościami. Wtrącenia te mogą pochodzić z nierozpuszczalnych żelazostopów lub przedmiotów metalowych, które dostały się do ciekłej stali. Mikrostruktura wtrącenia obcego metalu różni się zasadniczo od metalu podstawowego; ich odróżnienie nie stwarza większych trudności. Anormalność struktury stali obserwuje się w stalach nadeutektoidalnych; polega ona na występowaniu wolnych skupień ferrytu i cementytu zamiast właściwej dla stali nad - eutektoidalnej struktury składającej się z perlitu i cementytu drugorzędowego. Zawalcowania i zakucia są spowodowane zawinięciem lub wtłoczeniem metalu przy obróbce plastycznej na gorąco. W przypadku zawalcowania na wytrawionym zgładzie uwidacznia się odwęglenie otaczające po obu stronach zawalcowania warstwę tlenków. Przyczyną tego rodzaju wady mogą być pęcherze podskórne we wlewku, zadrapania, przekręcenia pręta w przekroju podczas walcowania itp. Pasmowość struktury uwidacznia się charakterystycznym ułożeniem składników strukturalnych stali. Przyczyną tej wady może być skupienie wtrąceń niemetalicznych, niska temperatura obróbki plastycznej itp.Do wykrywania poszczególnych składników stopowych, których obecność ujemnie wpływa na własności mechaniczne, stosuje się niżej opisane sposoby wykrywania zanieczyszczeń.
Wykrywanie zanieczyszczeń siarką.
Odcinki próbne pobiera się z całego przekroju lub jego części w kierunku równoległym lub prostopadłym do kierunku obróbki plastycznej. Po uprzednim przygotowaniu próbki przeprowadza się próbę Baumanna na papierze światłoczułym. Wydzielający się siarkowodór reaguje z papierem bromosrebrowym, powodując powstanie na papierze zaciemnień siarczku srebra, wielkością i kształtem odpowiadającym skupieniom siarczków w stali. Tą próbą można tylko określić rozłożenie siarczków w badanym materiale. Ze sposobu rozmieszczenia zanieczyszczeń ( powinny one być rozmieszczone na powierzchni równomiernie )można wnioskować o poprzedniej obróbce plastycznej materiału. Na przykład w stalach długotrwale wygrzewanych występuje wzrost zawartości siarki ( jest to spowodowane procesem dyfuzyjnym czynnika nagrzewającego, np. koksu ). Próba Baumanna umożliwia również wykrywanie jam usadowych i pęcherzy oraz fosforu w stalach - ujawniają się one występowaniem jasnożółtych punktów odpowiadających skupieniom fosforków.
Wykrywanie rozmieszczenia zanieczyszczeń fosforem.
Do wykrywania rozmieszczenia fosforu w stalach używa się odczynników miedziowych Anczyca i Heyna. Odczynniki Anczyca i Heyna działają elektrolitycznie, przy czym żelazo ulega rozpuszczeniu, a miedź osadza się na powierzchni zgładu. Po wytrawieniu w miejscach bogatych w fosfor i węgiel tworzy się widoczne zaciemnienie.
Próba przełomu próbki ( ulepszanie cieplne ).
Próba przełomu umożliwia ujawnienie wad materiałowych, jak pozostałości jamy usadowej, pęknięcia wewnętrzna, pasma, segregacje składników, wtrącenia niemetaliczne i pęcherze. Próbę przełomu ulepszonego cieplnie stosuje się do badań półwyrobów ze stali stopowych. W próbce wyciętej prostopadle do kierunku obróbki plastycznej nacina się karb, a następnie hartuje się ją. Wtrącenie niemetaliczne występuje pod postacią wtrąceń o srebrzystym połysku, podczas gdy powierzchnia przełomu ma zabarwienie matowo szare. Segregacje składników występują jako pasma różnych szerokości o jaśniejszym zabarwieniu. Materiały przegrzane wykazują przełom kropkowaty ( kaszkowaty ) zamiast włóknistego.
Ujawnienie struktury pierwotnej.
Struktura pierwotna jest to struktura tworząca się podczas krzepnięcia stopu. Struktura odlewu, podobnie jak struktura wlewka, zawiera kilka stref. Każda strefa ma inną wielkość ziarn, inny kształt, inną ilość zanieczyszczeń ( likwidacja we wlewku ). Podczas obróbki plastycznej wlewka poszczególne strefy wyciągają się, ziarna są rozdrobnione. Strefa środkowa pozostaje najbardziej zanieczyszczona, szczególnie w miejscach graniczących ze strefą transkrystaliczną. W odkuwkach ze stali występuje podobny rozkład. Ziarna układają się w pasma równoległe do sił rozciągających lub ściskających. Jako zanieczyszczenia występują tlenki, siarczki i krzemiany nierozpuszczające się w stali w stanie stałym.Jeżeli ilość zanieczyszczeń jest znaczna i silny jest stopień przekucia materiału, otrzymuje się strukturę makroskopową włóknistą. Niejednorodność powstała podczas krzepnięcia stopów zostaje zniekształcona podczas obróbki plastycznej w kierunku płynięcia metalu. Tak powstają linie płynięcia metalu. Przy znacznym zgniocie równoległym powstaje włóknistość pierwotna. Do ujawnienia struktury pierwotnej we wlewkach stalowych, odlewach staliwnych oraz wyrobach obrobionych plastycznie stosuje się słabiej działające czynniki, np. Oberhoffera. Jeżeli pojawi się struktura dendrytyczna lub globulityczna, to dana część jest odlewem ( staliwo ). W materiale przerobionym plastycznie ujawnia się struktura pasmowa ( stal ).
Określenie skłonności stali do starzenia.
Niektóre gatunki stali niskowęglowej ulegają samorzutnemu starzeniu, tj. w miarę upływu czasu następuje wzrost ich kruchości i skłonności do powstawania pęknięć wewnętrznych. Przyczyną tego zjawiska jest utwardzanie dyspersyjne występujące na wskutek wydzielenia się z ferrytu cementytu trzeciorzędowego oraz azotków. Proces ten może być przyśpieszony przez zgniot, tj. obróbkę plastyczną na zimno w temperaturze poniżej zakresu temperatury rekrystalizacji. Stale mają skłonności do starzenia, wykazują na wytrawionym zgładzie "linie poślizgów", w postaci ciemnych pasemek klinowychwnikających w głąb materiału i przecinających się pod kątem ok. 45o. Stale, które nie mają skłonności do starzenia, nie wykazują po wytrawieniu "linii poślizgów". Linie poślizgów mogą również wystąpić w częściach materiału, który pracował pod obciążeniem, np. w kotłach ciśnieniowych, w częściach obciążonych itp.W celu zbadania skłonności stali do starzenia pobraną próbkę odkształca się plastycznie powyżej granicy plastyczności - przez ściskanie lub rozciąganie, po czym poddaje się ją przyśpieszonemu starzeniu w temperaturze ok. 300oC. Następnie próbkę wytrawia się odczynnikiem "Fry - makro" i obserwuje, czy wystąpią na zgładzie linie poślizgów.
Badania złączy spawanych.
Badania złączy spawanych mają na celu ujawnienie wad w spoinie i w strefie wpływu ciepła. Najczęstszymi wadami złączy spawanych są: pęknięcia spawalnicze, zażużlenia spoiny, przegrzanie, brak lub niewłaściwy przetop, pęcherze wewnątrz spoin, wtrącenia niemetaliczne, przepalenia, gruboziarnistość oraz strukturę Widmannstttena w stalach niskowęglowych, podhartowanie wyrażające się strukturą troostytyczną, bainityczną lub martenzytyczną, efekt starzenia się uwidoczniony wydzielaniem się w stalach niskowęglowych tlenków, azotków i cementytu trzeciorzędowego, miejscowe odwęglanie, nawęglenie lub wypalenia niektórych składników, zabielenia w połączeniach żeliwnych ( ledeburyt w strefie przejściowej ), zmniejszenie odporności na korozję stali austenitycznych na skutek wydzielania się węglików chromu na granicach ziarn Wady te można wykryć i zlokalizować przez głębokie wytrawienie złącza spawanego.
Określenie wielkości ziarna na przełomie wg Jernkontoreta.
Wielkość ziarna określa się porównując przełom próbki ze skalą wzorcową Jernkontoreta. Skala ta obejmuje dziesięć stopni ziarnistości. Rozmiary ziarn oznaczono od 1 ( ziarna największe ) do 10 ( ziarno najmniejsze ). Odcinki próbne o wymiarach 27 x 27 lub 30 x 30 mm pobiera się z materiału obrabianego plastycznie i obrabia mechanicznie na wymiar 25 x 25 x 100 mm; na środku próbki nacina się karb o głębokości ok. 3 mm. Przed wykonaniem właściwej próby próbki poddaje się wstępnej obróbce cieplnej, a następnie hartuje je w wodzie lub oleju w czterech różnych temperaturach ( np. 760, 800, 840, 880oC ). Wrażliwość na przegrzanie określa się przez wyznaczenie zakresu temperatur, w których ziarno w warstwie zahartowanej przełomu wzrasta więcej niż o dwie jednostki skali Jernkontoreta. Dla stali niewrażliwej na przegrzanie zakres ten wynosi 120oC, dla wrażliwych 40oC. Po złamaniu próbek określa się: rozmiary ziarn na przełomie w skali Jernkontoreta, głębokość warstwy zahartowanej oraz liczbę pęknięć na przełomie. Wyniki zapisuje się przykładowo w postaci: 7 / 4 - 3P, gdzie licznik określa rozmiary ziarn w warstwie zahartowanej wg skali Jernkontoreta, a mianownik - głębokość zahartowanej warstwy w mm. Symbol 3P oznacza, że na przełomie zaobserwowano trzy pęknięcia.
Określenie składu chemicznego.
Do określenia składu chemicznego metalu stosuje się: analizę chemiczną - ilościową i jakościową - i analizę spektralną. W praktyce warsztatowej można stosować próbę iskrową stali, umożliwiającą przybliżoną ocenę składu chemicznego. W próbie tej zawartość węgla i innych składników stali określa się orientacyjnie na podstawie intensywności, kształtu i barwy iskier, które porównuje się z wynikami otrzymanymi przy próbie iskrowej wzorców.
III. Przebieg ćwiczenia.
1.Zapoznać się z eksponatami części łożyska baryłkowego. Opisać zniszczone łożysko z
wyszczególnieniem wad, które występują na pierścieniach i baryłkach. Podać średnicę
wewnętrzną łożyska. Podać dokładne rozmieszczenie występujących uszkodzeń.
2.Przeprowadzić badania makroskopowe baryłek i pierścieni w miejscach uszkodzeń.
3.Przeprowadzić badania makroskopowe struktur baryłek i pierścieni oraz określić wtrącenia
niemetaliczne i strukturę tych części.
4.Przeprowadzić próbę twardości Rockwella, a wyniki porównać z danymi wg normy
określającej twardość tego rodzaju łożyska.
5.Przeanalizować wyniki, określić materiał badanych części łożyska, podać znak oraz
oznaczenie, określić powód zniszczenia łożyska, określić wady wewnętrzne materiału i inne
uwagi.
IV. Uwagi do sprawozdania.
Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:
a / opisane własne badania uszkodzonego łożyska,
b / załączony szkic wykrytych wad,
c / zestawienie wyników badań,
d / uwagi i wnioski.
Ekspertyza metalograficzna - określenie własności stali
zależnych od budowy wewnętrznej
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się wpływu struktury na własności mechaniczne stali.
Struktury i własności stali.Odpowiednią, stosowną do przeznaczenia wyrobów strukturę stali osiąga się jako wynik odpowiedniego składu chemicznego, obróbki cieplnej, ewentualnie obróbki plastycznej na zimno. Wpływ na własności stali mają przede wszystkim dwa czynniki: rodzaj struktury i wielkość ziarna. Wiadomo powszechnie, że głównie drobnoziarnistość struktury stali wpływa na polepszenie jej własności mechanicznych. Struktury dendrytyczne, globulityczne, występujące w stali lub staliwie w stanie surowym bądź po niewłaściwej obróbce cieplnej ( przegrzanie ), charakteryzują duże wymiary ziarn. Struktury te wykazują mniejszą wytrzymałość oraz gorsze własności mechaniczne w porównaniu ze strukturą drobnoziarnistą. Dopiero przez odpowiednią obróbkę cieplną: jedno - lub dwukrotne normalizowanie można otrzymać strukturę drobnoziarnistą lub siatkową o drobnym ziarnie i wymaganych własnościach mechanicznych. Własności mechaniczne, a głównie wytrzymałość, zależą również od ilości perlitu w strukturze stali. Składniki stopowe powodują przesunięcie punktu eutektoidalnego w stronę niższych zawartości węgla, a co za tym idzie zwiększają ilość perlitu w strukturze. Ważny wpływ na zawartość perlitu ma też szybkość chłodzenia po wyżarzeniu. Stal chłodzona szybko ma zwiększoną ilość perlitu i odpowiednio wyższą wytrzymałość w porównaniu ze stalą o identycznym składzie chemicznym, ale studzoną powoli. Podobne własności mają stale o strukturze ferrytycznej. Przy wolnym chłodzeniu stale eutektoidalne wykazują duże ziarno o budowie grubopłytkowej. Zwiększenie szybkości chłodzenia nadaje stali drobnoziarnistość, co powoduje poprawę własności mechanicznych. Podczas pobierania próbek do badania należy pamiętać o tym, że wytrzymałość i własności plastyczne zależne są również od kierunku pobrania próbek. Najlepsze własności wykazują próbki pobrane równolegle do kierunku walcowania. Kierunek walcowania można stwierdzić obserwując przebieg pasemek w strukturze ( teksturę ).
Struktura i własności żeliwa.
Podstawowym składnikiem decydującym o własności żeliwa jest węgiel, występujący w stanie wolnym lub jako cementyt. Cementyt jest bardzo twardym i kruchym składnikiem, zatem żeliwo, które zawiera dużo cementytu, jest również bardzo twarde i kruche. Ma ono przełom srebrzysty i dlatego nazywamy je żeliwem białym. Struktura żeliwa białego powstaje podczas chłodzenia szybkiego. Grafit występuje w żeliwie zwykle w postaci płatków stanowiących nieciągłości metaliczne. Ze wzrostem ilości i wielkości płatków grafitu obniża się wytrzymałość żeliwa, a wzrasta jego kruchość. Żeliwo zawierające grafit ma przełom szary i nazywamy je żeliwem szarym. Istotny wpływ na wystąpienie w żeliwie węgla w postaci grafitu ma krzem, im więcej krzemu, tym więcej w żeliwie występuje grafitu. Drugim takim czynnikiem jest szybkość chłodzenia, im wolniej chłodzi się dany odlew lub im grubsze ma on ścianki, tym w żeliwie występuje więcej grafitu.
1.Zmierzyć twardość próbki stalowej o określonej mikrostrukturze i składzie chemicznym.
2.Zmierzyć twardość próbki stalowej o innej mikrostrukturze lecz o tym samym składzie chemicznym.
3.Określić wielkość ziarna próbek 1 i 2 oraz porównać wyniki.
4.Porównać struktury próbek z żeliwa szarego zwykłego, modyfikowanego i sferoidalnego.
5.Zbadać twardość wszystkich trzech próbek.
6.Zestawić i porównać wyniki.
1.Naszkicować poszczególne mikrostruktury.
2.Opisać własności mechaniczne badanych próbek stali węglowych i żeliw szarych na podstawie ich struktury, oraz twardości.
3.Wyniki zestawić w tabelkach.
WPŁYW WIELKOŚCI ZIARNA NAUDARNOŚĆ STALI*
...
klauux33