Początek

Skrypty Ciekawe strony  

Zaliczanie

   
 

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 klinowych

wnikających 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.