FILM EDUKACYJNY

Spis treści

• Badania mikro i makroskopowe metali i ich stopów2Badania mikro i makroskopowe metali i ich stopów

• Badania wielkości ziarna3Badania wielkości ziarna

• Próba Baumanna4Próba Baumanna

• Przełom na niebiesko5Przełom na niebiesko

Badania mikro i makroskopowe metali i ich stopów

R9ETWJXmfJcsl

Film nawiązujący do treści materiału

Film nawiązujący do treści materiału

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R9ETWJXmfJcsl

Film nawiązujący do treści materiału

Powrót do spisu treści1Powrót do spisu treści

Badania wielkości ziarna

Struktura metali i stopów (budowa wewnętrzna) decyduje o ich właściwościach, a te z kolei decydują o konkretnym zastosowaniu. Dlatego często wykonuje się badania w celu określenia makrostruktury (badania makroskopowe) lub mikrostruktury (badania mikroskopowe). Badania te umożliwiają określenie oceny wpływu różnych procesów i zabiegów technologicznych, metalurgicznych, obróbki plastycznej, spawania, obróbki cieplnej itp. na zmiany strukturalne.

Jednym z ważniejszych parametrów związanych z budową strukturalną (mikrostrukturalną) materiałów metalicznych, od którego w dużej mierze zależą własności mechaniczne, jest wielkość ziarna. Przy niskich temperaturach wielkość ziarna jest czynnikiem umacniającym, tzn. im mniejsze ziarno tym własności wytrzymałościowe zwiększają swoją wartość, a plastycznie zmniejszają się. Dlatego w stalach konstrukcyjnych pracujących w temperaturze tzw. pokojowej wielkość ziarna powinna być jak najmniejsza. Wielkość ziarna ma także wpływ na inne ważne parametry, np. udarność czy twardość.

Ziarno występujące w stali bezpośrednio po jej zakrzepnięciu (wlewki, odlewy) nazywa się ziarnem pierwotnym. Wielkość ziarna pierwotnego ma znaczenie w przypadku części odlewanych. W przypadku stali, w wyniku przeróbki cieplno‑plastycznej, ziarno pierwotne ulega zmianie, a tak otrzymane ziarno nazywa się ziarnem wtórnym lub rzeczywistym. Na wielkość ziarna rzeczywistego mają wpływ:

• skład chemiczny stali,

• wielkość ziarna austenitu,

• stopień odkształcenia (przeróbka plastyczna i rekrystalizacja),

• obróbka cieplna.

W obróbce cieplnej stali bardzo istotną właściwością jest skłonność do rozrostu ziarna austenitu, gdyż wielkość tego ziarna wpływa w dużym stopniu na końcowe właściwości stali. Skłonność do rozrostu ziarna austenitu pod wpływem temperatury i czasu przyjęto nazywać przegrzewalnością stali, a metody jej wyznaczania są znormalizowane. Stale o małej skłonności do rozrostu ziarn nazywane są stalami drobnoziarnistymi, w odróżnieniu od stali o dużej skłonności do tego rozrostu, zwanych stalami gruboziarnistymi.

Opracowano dwie metody określania skłonności ziarna austenitu do rozrostu i klasyfikacji wielkości ziarna: metodę przełomów i metodę mikroskopową.

Metoda przełomów (porównawcza) wykorzystuje zjawisko pękania zahartowanej stali wzdłuż granic ziarna byłego austenitu i oparta jest o klasyfikację wielkości ziarna na podstawie skali wzorców Jernkontoret. Skala wzorców składa się z 10 próbek o odpowiednio dobranej wielkości ziarna, przy czym numer 1 oznacza najgrubsze, a numer 10 najdrobniejsze ziarna jak pokazano na rysunku poniżej.

R3z7VbUDG8atE

Na zdjęciu widoczna jest skala wzorców Jernkontoret. W drewnianym pudełku widocznych jest dziesięć otworów. W otworach umieszczone są prostopadłościenne wzorce stali. Na górnej powierzchni wzorca próbki widoczne są różnice w wielkości ziarna. Próbka oznaczona cyfra jeden ma najgrubsze ziarno a próbka oznaczona cyfrą dwa najmniejsze.

RYmYpNkEskcjc

Na zdjęciu widoczna jest skala wzorców Jernkontoret. W drewnianym pudełku widocznych jest dziesięć otworów. Nad otworami znajdują się cyfry od jeden do dziesięć. Przed pudełkiem wyciągnięte są prostopadłościenne wzorce stali. Na górnej powierzchni wzorca próbki widoczne są różnice w wielkości ziarna. Próbka oznaczona cyfra jeden ma najgrubsze ziarno a próbka oznaczona cyfrą dwa najmniejsze.

Wielkość ziarna w badanej próbce oznacza się przez podanie numeru wzorca o najbardziej zbliżonym wyglądzie przełomu. Obecnie metoda ta stosowana jest sporadycznie, najczęściej do oceny przegrzewalności stali narzędziowych.

Metoda mikroskopowa określania wielkości ziarna oparta jest o obserwacje zgładów metalograficznych próbek, w których za pomocą odpowiednich zabiegów dekoruje się granice ziaren austenitu przed ochłodzeniem materiału badawczego, dzięki czemu wielkość ziarna byłego austenitu po ochłodzeniu próbki można obserwować przy temperaturze pokojowej.

RNzJFfLwSqUdf

Na zdjęciu przedstawiono metodę mikroskopową określania wielkości ziarna. Zdjęcie podzielone jest ba dwie części Po lewej stronie ziarno narysowane jest na podstawie oryginalnego obrazu. Widoczne ziarno ma czarne obwódki. Wnętrze ziarna jest białe. Ziarno cechuje się dużym rozmiarem. Po prawej widoczne jest oryginalne ziarno.

R104PWO0LAH14

Na zdjęciu przedstawiono metodę mikroskopową określania wielkości ziarna. Zdjęcie podzielone jest ba dwie części Po lewej stronie ziarno narysowane jest na podstawie oryginalnego obrazu. Widoczne ziarno ma czarne obwódki. Wnętrze ziarna jest białe. Ziarno cechuje się dużym rozmiarem. Po prawej widoczne jest oryginalne ziarno. Widoczne ziarna widziane są w skali stu mikrometrów. Po obu stronach przypominają mozaikę.

Wielkość ziarna najczęściej określa się za pomocą numeru wielkości ziarna (metoda porównawcza zgodna z międzynarodowymi standardami ASTM International – American Society for Testing and Materials, tłum. Amerykańskie Stowarzyszenie Badań i Materiałów, Norma PN‑EN ISO $\text{643}$ Stale - Mikrograficzne określenie wielkości ziarna), metody zliczania ziaren przeciętych linią pomiarową w postaci odcinka prostej lub okręgu koła.

Pomiar wielkości ziarna austenitu i ferrytu (o jednofazowej strukturze ziarnistej) różnymi metodami jest opisany w normie PN‑EN ISO $\text{643}$ Stale - Mikrograficzne określenie wielkości ziarna. Stosując te metody pomiarowe, należy pamiętać, że ziarna w rzeczywistości są trójwymiarowe, ale mogą tworzyć przekroje z płaszczyzną metalograficzną (obserwowaną powierzchnią zgładu) w zakresie od narożnego punktu ziarna do największego rozmiaru ziarna. Oznacza to, że gdyby nawet w próbce do badań były tylko ziarna o jednakowej wielkości, to wielkość ziarna na jej płaskim przekroju będzie zróżnicowana.

Z wykonanych pomiarów należy sporządzić protokół badania, zawierający poniższe informacje:

• gatunek badanej stali,

• rodzaj badanego ziarna,

• zastosowaną metodę,

• warunki oceny i sposób oceny (tzn. manualna czy automatyczna analiza obrazu),

• numer wielkości ziarna lub średnią długość cięciw odciętych przez ziarna na linii pomiarowej.

Powrót do spisu treści1Powrót do spisu treści

Próba Baumanna

Wyniki badań makroskopowych dostarczają bardzo istotną część danych, niezbędnych do całościowej oceny jakości zarówno samego tworzywa jak i poprawności zastosowanej technologii jego produkcji i dalszego przetwórstwa. Dzięki tym badaniom możliwe jest bowiem ujawnienie pierwotnych, makroskopowych wad materiałowych tworzyw metalicznych (np. pęknięć odlewniczych, pozostałości jamy skurczowej, rzadzizn, pęcherzy gazowych, zażużleń i skupisk wtrąceń niemetalicznych, niejednorodności składu chemicznego, itp.) oraz wad wtórnych, które mogą powstać w kolejnych etapach dalszego ich przerobu i produkcji wyrobów gotowych. Najważniejsza funkcja badań makroskopowych tworzyw metalicznych wynika z oczywistej konieczności prowadzenia odpowiedniej kontroli jakości procesu ich produkcji i dalszego przetwórstwa. Podstawowym celem tej kontroli jest niedopuszczenie do przerobu tworzyw z makroskopowymi wadami materiałowymi oraz eliminowanie błędów w procesie ich produkcji i dalszego przetwórstwa, skutkujących makroskopowymi wadami wtórnymi w półwyrobach lub wyrobach gotowych. Badania makroskopowe pełnią także zawsze funkcję badań wstępnych, niezbędnych do prawidłowego wyboru miejsc pobrania próbek do dalszych bardziej szczegółowych badań mikroskopowych.

Konieczność badania tworzyw metalicznych pod kątem niejednorodności (segregacji) ich składu chemicznego wynika stąd, że analizy wytopowe w atestach hutniczych informują jedynie o średnim składzie chemicznym poszczególnych wytopów danego tworzywa. Przy określonym średnim składzie chemicznym, o jakości metalurgicznej tworzywa decyduje natomiast sposób rozmieszczenia w nim poszczególnych jego składników stopowych i domieszek, zwłaszcza tych, które mają niekorzystny wpływ na własności.

R1ck2lnpo0MuX

Na zdjęciu widoczna jest makrosegregacja siarki. Na zdjęciu widać biało‑szarą próbkę. Przez środek próbki w poziomie biegną brązowe plamki ujawnione w próbie Baumann. Plamki znajduj ą się na przekroju wlewka.

Próba ta stosowana jest w celu wykrycia niejednorodności w rozłożeniu siarczków. Próba polega na tym, że papier fotograficzny zanurza się najpierw w $\text{5\%}$ roztworze kwasu siarkowego. Następnie umieszcza się go na przygotowanej wcześniej próbce metalu.

Podstawowym badaniem makroskopowym związanym z segregacją siarki jest próba Baumana.

Powrót do spisu treści1Powrót do spisu treści

Przełom na niebiesko

Kolejną próbą stosowaną do wykrywania miejsc segregacji składu chemicznego jest próba przełomu niebieskiego. Próbie tej poddaje się zwykle półwyroby stalowe w postaci kęsów, grubych prętów oraz odkuwek. Próba przełomu na niebiesko ma wykazać w przekroju wzdłużnym wyrobów stalowych istniejące niemetaliczne wtrącenia wielkości makroskopowej.

Wykonuje się je w następujący sposób: po wycięciu z całego przekroju badanego półwyrobu (prostopadle do kierunku przeróbki plastycznej) próbki w kształcie płytki o grubości od $\text{20}$ do $\text{20mm}$, w jej środku nacina się karb na głębokość $\text{1/5}$ do $\text{1/4}$ grubości płytki.

Następnie próbki są ogrzewane do temperatury ok. $\text{300°C}$ i łamane na prasie. W temperaturze ok. $\text{300°C}$ na przełomie powstaje niebieski nalot tlenków żelaza, który stanowi tło do obserwacji jaśniejszych wtrąceń niemetalicznych. Ocena próby polega na przyporządkowaniu obserwowanych wtrąceń niemetalicznych do odpowiedniego wzorca ze skali (biorąc pod uwagę ich długość i grubość) i podaniu ich ilości. Na niebieskim tle przełomu osnowy metalicznej można również zlokalizować miejsca segregacji, o jaśniejszej barwie niebieskiej oraz płatki wodorowe, które mają zabarwienie ciemnobrązowe. Powierzchnia przełomu jest równoległa do kierunku przeróbki plastycznej, dzięki czemu ujawnia się na niej także włóknistość materiału, dająca możliwość oceny stopnia jego przeróbki plastycznej.

Dobrym przykładem połączenia badań makroskopowych i mikroskopowych jest przykład budowy złącza spawanego ze stali węglowej pokazany na rysunku poniżej.

Na podstawie badań makroskopowych w złączu spawanym stali konstrukcyjnej można wyróżnić: materiał rodzimy (zespawane blachy), strefę wpływu ciepła (zmiany mikrostruktury materiału spawanego powstałe wokół spoiny na skutek wprowadzonego ciepła podczas spawania) i spoinę. Na rysunku poniżej przedstawiono makrozgład złącza spawanego z wybranym miejscem przeznaczonym do badań mikroskopowych.

Przeprowadzając badania mikroskopowe uwidacznia się budowę mikrostrukturalną poszczególnych obszarów złącza spawanego. Dzięki tym badaniom w strefie wpływu ciepła wyróżnia się 3 obszary różniące się od siebie mikrostrukturą tj.: wyżarzania niezupełnego, wyżarzania normalizującego i przegrzania). Przykład szczegółowej budowy złącza spawanego z występowaniem poszczególnych mikrostruktur pokazano na rysunku poniżej.

Powrót do spisu treści1Powrót do spisu treści

Powiązane ćwiczenia