ANALIZA MACROSCOPICA A MATERIALELOR METALICE

1. PRINCIPIUL LUCRARII

Prin studiul microscopic al metalelor sau a1iaje1or se intelege studiul efectuat cu ochiul liber sau cu lupe simple (marire maxim 50:1) al aspectului. exte­rior al pieselor, suprafetelor de rupere sau al unor sectiuni special pregatite si atacate, in scopul de a obtine informatii cu privire 1a felul materialului, granulatia sa, tratamente termice suferite sau pentru punerea in evidenta a eventualelor defecte.

Examinarea microscopica este prima etapa in cercetarea structurii si caracteristicilor unei piese mete1ice fiind urmata de obicei de alte analize (microscopice, chimice, incercari mecanice etc.).

1.1. Studiul macroscopic al aspectului exterior si al suprafetei de rupere

Prin acest studiu se poate pune in evidenta caracterul ruperii, tratamente termice si termochimice aplicate materialului etc.

1.1.1. Studiul macroscopic al suprafetei de rupere a unei piese turnate sau

lingou

Structura si proprietatile pieselor turnate prezinta anumite particularitäti legate de fenomenul de cristalizare primara.

O sectiune 1ongitudinala intr-un lingou turnat (din otel calmat) pune in evidenta cele trei zone de cristalizare caracteristice (vezi fig.1.1).

- zona cristalelor marginale, 1, foarte fine (crusta de solidificare) ce se formeaza ca urmare a contactului materialului rnetalic lichid cu peretii reci ai lingotierei;

- zona cristalelor columnare, 2, (zona a de transcrista1izare sau bazaltica), formata din cristale dezvoltate mai puternic dupa o anumita directie (a cedarii caldurii);

- zona cristalelor centrale, 3, formata din cristale uniform dezvoltate dupa toate directiile (echiaxiale). Trecerea de la zona cristalelor columnare la cea centrala se face prin doua zone intermediare avand o structura dendritica neorientata respectiv o structura mixta (dendrite de dimensiuni mici si cristale echiaxiale mari).

Figura 1.1

Tot in aceasta sectiune se pot pune in evidenta retasura principala, a (si daca este cazu1 a celei secundare) si segregatiile (neomogenitatile) zone1e, 5 si 5'.

Considerand o sectiune transversala prin lingou se disting doua situatii:

- cazul lingoului de sectiune patrata (fig.1.2, a) la care se observa planele diagonale, rezultate in urma impiedicarii reciproce a cresterii cristalelor columnare de pe doua directii perpendiculare.

- cazul lingoului de sectiune circulara (sau cu colturi rotunjite) (figura 1.2, b) la care nu mai apare acest fenomen negativ. (Planele diagonale sunt bogate in incluziuni nemetalice care in urma procesului de deformare plastica a 1ingoului pot fi dislocate axial. putand duce la fisurarea lingoului).

In cazul unei piese. turnate functie de grosimea peretilor piesei, de natura formei de turnare etc. extinderea celor trei zone amintite poate fi diferita, in principiu intalnindu-se toate aspectele enumerate mai sus.

a)     b)

Figura 1.2.

1.1.2. Stabilirea prin studiu macroscopic a caracterului ruperii

Suprafetele supuse studiului in acest caz pot fi obtinute intentionat pe epruvete supuse unor incercari distructive sau pot fi ale unor piese avariate in exploatare.

Ruperile pot fi clasificate in doua mari categorii: ruperi ductile (plastice, tenace) si ruperi fragile. Din punct de vedere macroscopic ruperea ductila se caracterizeaza prin prezenta unor deformatii plastice prealabile pronuntate (vezi figura 1.3) iar ruperea fragila prin absenta acestor deformatii inainte de ruperea fragila, propagarea ruperii avand loc la limita dintre graunti (intercristalin - in suprafata de rupere se pot pune in evidenta dimensiunile agregatelor policristaline, figura 1.a).

Figura 1.3    Figura 1.4

Un aspect deosebit prezinta suprafetele de rupere ale unor piese datorita oboselii (figura 1.5). Ruperea prin oboseala apare in cazul solicitarii piesei la sarcini care variaza in timp dupa o anumitä lege.

Ruperea are loc prin initierea si propagarea unei fisuri pana cand sectiunea efectiva a piesei devine mai mica decat sectiunea necesara preluarii eforturilor respective, moment in care se produce ruperea fragila. Ca urmare suprafata de rupere prezinta doua zone distincte:

- o zona neteda corespunzatoare propagarii fisurii;

- o alta zona grauntoasa (cristalina) corespunzatoare ruperii fragile (prin smulgere, intercristalin).

1.1.3. Stabilirea prin cercetare macroscopica a suprafetelor de rupere, a naturii materialului si a tratamentelor termice aplicate pieselor

Studiind macroscopic suprafata de rupere a unei piese se pot trage unele concluzii si in legatura cu natura materialului si a tratamentelor suferite de acesta.

Astfel, o piesa din otel are in suprafata de rupere o culoare gri-deschis.

Suprafata de rupere a unei fonte este mult mai inchisa la culoare datorita grafitului care la o casura proaspata se detaseaza sub forma de praf negru, moale, unsuros.

Daca piesa a suferit un tratament termochimic, suprafata de rupere prezinta doua zone:

Figura 1.5

- miezul piesei care nu a suferit modificari de compozitie chimica;

- stratul imbogatit cu un anumit element.

1.2. Studiul macroscopic in sectiuni special pregatite

Studiul macroscopic poate fi facut pe suprafete special pregatite si atacate cu reactivi metalografici convenabil alesi pentru a scoate in evidenta unele date legate de material, cum ar fi: structura primara, granulatia structurii, segregatii, linii de deformare plastica la rece, structura imbinarilor sudate etc.

1.2.1. Pregatirea probelor

Pregatirea unui esantion pentru examenul macroscopic, necesita urmatoarele operatii:

a) Operatia de luare a probelor care consta in alegerea locului de unde trebuie taiata proba si executarea taierii. Dimensiunile probelor variaza in functie de scopul cercetarii.

b) Obtinerea suprafetelor plane printr-o operatie de prelucrare mecanica (pilire, frezare, polizare).

c) Slefuirea suprafetelor utilizandu-se hartie de slefuit de diferite granulatii (din ce in ce mai mici).

d) Lustruirea probelor pana la obtinerea unui luciu perfect al probei. Operatia se poate executa pe pasla umezita prin stropire sau pulverizare cu suspensie a unui abraziv fin in apa (Al₂O₃) sau prin metoda lustruirii electrolitice.

e) Spalarea si uscarea probelor.

f) Atacarea probei cu reactivi chimici, prin atac electrolitic sau prin oxidare. Cel mai utilizat este atacul cu reactivi chimici care se bazeaza pe na­tura cristalina a corpurilor metalice si pe anizotropia proprietatilor lor.

1.2.2. Punerea in evidenta a segregatiei fosforului

a) Fenomenul de segregatie dendritica

Fenomenul de segregatie (neomogenitate) dendritica apare la aliajele care cristalizeaza intr-un interval de temperaturi (in figura 1.6 se prezinta cazul in care componentii sunt complet solubili in stare lichida si stare solida).

Aplicand regula izotermei se constata usor ca axa cristalului este mai bogata in componentul cu temperatura de topire mai ridicata iar periferia mai bogata in componentul cu temperatura de topire mai coborata.

b) Fosforul ca element insotitor la otelurile carbon

Fosforul ajunge in otel din fonta iar in aceasta din urma din minereu. Procedeul de elaborare a otelului influenteaza direct procentul de fosfor din otel. Fosforul se dizolva in ferita formand cu aceasta o solutie solida de substitutie. Datorita diametrului atomic mare deformeaza reteaua feritei ridicandu-i duritatea si rezistenta dar coborandu-i foarte puternic plasticitatea, ajungand ca la procente de 0,3 % P rezilienta sa devina aproape nula. Din acest motiv fosforul este considerat impuritate, deoarece confera otelului fragilitate la rece iar continutul sau este limitat.

Figura 1.6

Otelurile cristalizeaza intr-un interval mare de temperatura, daca exista conditiile aparitiei segregatiilor dendritice, astfel ca, axa cristalului de austenita va fi saraca in fosfor, acesta ramanand intre ramurile si trunchiurile dendritelor. Datorita dimensiunii mari a atomilor de fosfor viteza sa de difuzie este foarte mica astfel incat uniformizarea concentratiei in fosfor nu se realizeaza prin nici o metoda. Rezulta deci ca segregatia fosforului se mentine punandu-se in evidenta structura primara (de turnare) a otelului.

c) Punerea in evidenta a structurii primare

Proba pregatita se ataca cu un reactiv (reactiv Oberhoffer) avand urmatoarea compozitie chimic 0,5 g clorura de staniu, 1g clorura cuprica, 30 g clorura ferica, 5 ml. acid clorhidric, 500 ml. alcool etilic, 500 ml. apa.

Cercetand proba in lumina verticala portiunile bogate in fosfor apar de culoare deschisa fata de portiunile sarace care raman negre, mate (figura 1.7).

1.2.3. Punerea in evidenta a structurii fibroase obtinute in urma deformarii plastice la cald

Daca deformarea plastica are loc la o temperatura superioara temperaturii de recristalizare nefazica si daca viteza de recristalizare este mai mere decat viteza de deformare, la sfarsitul deformarii materialul va avea o structura recristalizata si deformarea se considera ca a avut loc la cald.

Figura 1.7

In procesul deformarii la cald impuritatile deformate (cele plastice) sau sfaramate si redistribuite in directia deformarii, fiind situate la marginea cristalelor

Recristalizarea are loc intre siruri1e de incluziuni obtinandu-se o structura fibroasa care are ca efect o anizotropie a proprietatilor (diferite dupa directia perpendiculara pe fibra sau in lungul ei).

Figura 1.8

Fibrele trebuie sa fie: neintrerupte (continue), paralele (sa nu se intretaie), sa urmareasca conturul piesei.

Tinand cont ca fibrajul este dat de orientarea impuritatilor iar acestea sunt bogate in fosfor rezulta ca e1 poate fi pus in evidenta pe o proba special pregatita prin atac cu reactiv Oberhoffer (figura 1.8).

1.2.4. Punerea in evidenta a celor trei zone ale unei imbinari sudate prin topire

a) Sudarea prin topire. Ciclul termic la sudare

Sudarea este metoda tehnologica de imbinare nedemontabila a doua sau mai multe piese metalice prin realizarea, in anumite conditii de presiune si temperatura, unei legaturi stabile intre retelele cristaline ale materialelor din care sunt alcatuite piesele.

Sudarea prin topire este rezultatul unei activitati termice importante ce determina incalzirea locala a materialului pieselor supuse sudarii (numit mate­rial de baza, MB) la temperaturi superioare temperaturii de topire; prin topirea marginilor pieselor si eventual a unui material de adaos MA, se formeaza intre piese o baie de metal topit care se transforma prin cristalizare in cusatura CUS.

O parte din energia sursei termice utilizate produce incalzirea (sub temperatura de topire) a unei zone din MB adiacenta locului de formare a cusaturii. Prin deplasarea sursei termice in directia de sudare, odata cu racirea baii de metal lichid are loc si racirea acestei zone. Ca urmare zona din MB, adiacenta cusaturii este supusa unui ciclu termic: incalzire cu o anumita viteza de incalzire, v_i, pana la o temperatura t_max < t_{topire MB}, si racire cu o anumita viteza de racire, v_r.

Ansamblul ciclurilor termice corespunzatoare diferitelor puncte ale zonei adiacente locului de actiune al sursei termice, poarta numele de camp termic la sudare.

Actiunea ciclurilor termice, determina in functie de valorile parametrilor ce le caracterizeaza (v_i, t_max, v_r) si natura materialului, modificari structurale, si deci de proprietati ale materialului din aceasta zona. Datorita acestui fapt zona adiacenta cusaturii afectata de actiunea ciclurilor termice se numeste zona influentata termic - ZIT.

Realizarea imbinarii sudate prin topire presupune prelucrarea prealabila a marginilor pieselor ce se imbina in scopul obtinerii unui rost in care se formeaza baia de metal topit.

In functie de grosimea pieselor ce se sudeaza cusatura poate fi realizata din unul sau mai multe randuri. Randurile situate la acelasi nivel alcatuiesc straturile cusaturii (figura 1.9).

a)    b)

Figura 1.9

b) Analiza macroscopica a unei imbinari sudate

Prin atacarea unei probe special pregatite un reactiv Adter (15 g clorura ferica, 3 g clorura amoniacala, 5 ml. acid clorhidric, 25 ml. apa) sau Nital (1- 5 cm³ acid azotic, 99 - 95 cm³ alcool etilic) se pot pune in evidenta cele trei zone prezentate anterior care apar in urma atacului.

Se poate preciza forma rostului, extinderea ZIT, numarul de straturi si randuri, precum si defecta macroscopice ca pori, incluziuni nemetalice etc.

Figura 1.10

Prin acelasi procedeu se poate scoate in evidenta extinderea zonelor imbogatite cu anumite elemente chimice in cazul tratamentelor termochimice. In figura 1.10 este prezentat cazul tratamentului termochimic de cementare.

2. CONTINUTUL SI SCOPUL LUCRARII

Lucrarea va cuprinde cercetarea folosind metodele analizei macroscopice a unor piese rupte sau a unor probe metalografice pregatite in acest scop. Se vor analiza:

- suprafete de rupere a unor lingouri de otel de forma patrata si circulara;

- suprafetele de rupere ale unor epruvete supuse incercarii la tractiune si oboseala.

Pe probe alese corespunzator, special pregatite se vor face urmatoarele analize:

- punerea in evidenta a segregatiei fosforului si a fibrajului caracteristic pieselor obtinute prin deformare plastica la cald;

- punerea in evidenta a zonelor unei imbinari sudate prin topire si stratului imbogatit in carbon la o piesa cementata.

Scopul 1ucrarii este imbogatirea cunostintelor teoretice ale studentilor si familiarizarea cu elementele de lucru practic, cu metodele si procedeele analizei macroscopice.

3. MATERIALE FOLOSITE. MODUL DE LUCRU

Pentru efectuarea lucrarii se vor folosi urmatoarele materiale:

- piese turnate rupte;

- epruvete rupte la incercarea la tractiune (care au prezentat rupere ductila si care au prezentat rupere fragi1a);

- piese din ote1 rupte la oboseala;

- probe din otel pentru determinarea segregatiei de fosfor si a fibrajului;

- probe din otel sudat si probe din otel supus cementarii;

- reactivi chimici (Oberhoffer, Nital) si mojare pentru efectuarea atacului.

Fiecare student va analiza suprafetele de rupere ale tuturor pieselor in­dicate in lucrare. Dupa studierea atenta a acestora se vor execute schite si se vor trage concluziile corespunzatoare.

4. CONTINUTUL REFERATULUI

In referat se vor indica pentru fiecare analiza efectuata:

- tipul piesei sau probei analizate;

- scopul analizei;

- modul de efectuare a analizei (pentru probele atacate se va indica tipul reactivului si modul cum s-a efectuat atacul);

- schita aspectului suprafetelor analizate;

- concluzii rezultate in urma analizei.