KURZUS: Mérnöki anyagismeret
MODUL: Anyagkárosodások. Anyagvizsgálat. Anyagkiválasztás
28. lecke: Anyagvizsgálat. A felület közelében lévő eltérések kimutatására alkalmas módszerek
| ||
A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti: | ||
| ||
Az ipar és a technika fejlődése megkívánja, hogy a gyártási folyamatok során felhasznált anyagokról minél teljesebb ismereteink legyenek. Ez a felhasználandó anyagok alapvető tulajdonságainak meghatározásán kívül, a szerkezetekbe beépített anyagok várható viselkedésének, állapotának a meghatározását is jelenti. | ||
Az anyagvizsgálat feladata tehát az anyagokról olyan adatokat szolgáltatni a gyártó, a felhasználó részére, amelyek lehetővé teszik annak eldöntését, hogy: | ||
| ||
Az anyagvizsgálat másik fontos feladata feleltet adni arra, hogy az alapanyagok, vagy kész termékek tartalmaznak-e folytonossági hiányokat, hibákat. | ||
A harmadik pedig a használat során károsodott alkatrészek, szerkezetek károsodási okainak felderítése (kárelemzés). | ||
A vizsgálati módszereknek megbízhatónak (egyértelműnek és reprodukálhatónak) kell lenni. Ezt elősegíti a vizsgálatok szabványosítása. Szabvány hiányában a vizsgálati körülményeket egyértelműen meg kell adni a vizsgálatról készült dokumentumban, a jegyzőkönyvben vagy arról előre meg kell állapodni, és ezt a műszaki dokumentációban rögzíteni kell. | ||
Az anyagvizsgálat igényli az anyagok és a technológiák ismeretét is. | ||
Az anyagvizsgálati módszerek csoportosítása előtt nézzük meg mit értünk hiba alatt? | ||
A hiba az előírt állapottól való eltérés, amely az alkatrész adott felhasználási célra való alkalmatlanságot jelenti. | ||
A hibák lehetnek: anyag- és üzemeltetési hibák. | ||
Az anyaghibák lehetnek: gyártástechnológiai (pl. zárványosság, öntési hiány vagy lunker, hegesztési összeolvadási hiányok, hőkezelési repedések stb.) vagy üzemeltetési (pl. deformáció, repedés, törés, kopás, korrózió stb.) | ||
A hibák veszélyessége sem azonos, kisebb veszélyességűek azok a hibák, melyek közel gömb alakúak, ún. térfogati hibák pl. gázzárványok, mint a repedés jellegű ún. síkhibák, mivel az utóbbiak feszültség koncentráló hatása lényegesen nagyobb. | ||
Az anyagvizsgálati módszerek felosztása | ||
A vizsgálati módszerek két nagy csoportba, roncsolásos és roncsolás mentes módszerekre oszthatók. A roncsolásos módszereket próbatesteken végezzük, és nagyon fontos, hogy az így meghatározott eredmények, jellemzőek legyenek a minősíteni kívánt anyagra, vagy darabra. Ez az oka annak, hogy a próbavétel módjára is vannak előírások, szabványok. |
Az anyagvizsgálati eljárások főbb területei | ||
Kémiai vizsgálat. Legfontosabb feladata az anyagok vegyi összetételének megállapítása, de ide tartoznak a korróziós vizsgálatok is. | ||
Fizikai vizsgálatok. Feladata az anyagok fizikai jellemzőinek pl. villamos vezetőképesség, villamos ellenállás, mágneses tulajdonságok hőtágulás, fajhő stb. meghatározása. | ||
Fémtani vizsgálatok. Feladata az anyagok szövetszerkezetének, szemcsenagyságának a zárványosság mértékének stb. meghatározása. | ||
Szilárdsági vizsgálatok. Egyszerű mechanikai igénybevételekkel szembeni ellenállás megállapítása a cél. | ||
Technológiai vizsgálatok. Legtöbb esetben az adott feldolgozási technológiára való alkalmasság eldöntése a cél. | ||
Roncsolásmentes vizsgálatok. A darabban vagy felületén lévő folytonossági hiányok eltérések megállapítását tűzik ki célul. | ||
![]() | Roncsolásos anyagvizsgálatok | |
![]() | Kémiai vizsgálatok | |
A fémek esetében szinte minden esetben előírt a vegyi összetétel, ezért az ellenőrzés nagy fontossággal bír. A vegyi összetétel meghatározása a vegyészek feladata, de a legfontosabb eljárások jellemzőinek ismerete elengedhetetlen a vizsgálat előírását és a kapott eredmények értékelését végző mérnök számára. | ||
A vegyi összetétel meghatározható ún. hagyományos nedves kémiai módszerekkel vagy műszeres elemzésekkel. | ||
A nedves kémiai módszerek során az anyagból vett, pontosan bemért forgácsmintából határozzuk meg a keresett elemeket. A legtöbb esetben a minta pontos bemérése után az ún. feltárás következik, amikor a keresett elemet erős savakkal kioldják (pl. fémes ötvözök) vagy a keresett elemet oxidációval, elégetéssel teszik "hozzáférhetővé" (pl. a karbon és a kén elemzése). A feltárás során a keresett elemekből, vegyületekből keletkezett ionokat elválasztják, mérőoldatok hozzáadásával, kicsapással vagy titrálással stb., azonosítják és mennyiségüket meghatározzák. | ||
A műszeres elemzések közül a leggyakrabban a színkép elemzéses módszereket alkalmazzák. | ||
Ilyen jelenség az alacsony forráspontú fémek "lángfestése". Ha gáz lángba konyhasót szórunk, színe citromsárga lesz, mert a Na a lángot elszínezi.(A kibocsátott fény hullámhossza a sárga színnek megfelelő.) A lítium kárminvörös, a kálium pedig fakó ibolyára színezi a lángot. A láng elszíneződése az adott elem jelenlétére utal. | Az emissziós színkép elemzés lényege, hogy az elemzendő anyag egy részét elgőzölögtetjük, atomjait energia felvételre kényszerítjük, azaz gerjesztjük. A gerjesztett atom a felvett energiát fény formájában leadja. A kisugárzott (emittált) fény hullámhossza a gerjesztett atomra, fényessége (intenzitás) az adott elem koncentrációjára jellemző. | |
A gerjesztés módjától, energiájától függ, hogy a kibocsátott fény milyen hullámhossz tartományba esik. Minél nagyobb a gerjesztés energiája, annál rövidebb a fény hullámhosszúsága. A táblázat az emissziós színképelemzések egyszerűsített összefoglalását adja |
| ||||||||||||||
Az ötvözetek gerjesztésekor keverék fény keletkezik, amelyet színképelemző berendezésekben prizmák vagy optikai rács segítségével tudjuk hullámhossz szerint szétválasztani. A fény az elemző berendezésbe egy keskeny nyíláson a résen keresztül jut be: A rés képe a színkép. A gerjesztett atom színképe vonalas, elemzésre alkalmas. Több elem együttes gerjesztésekor a színképek együtt jelennek meg, a vonalak helyzete nem változik! | ||||||||||||||
Az elemzés a homológ vonalpárok elvén alapszik. | ||||||||||||||
Egy alapfém, (legtöbbször vas) és egy ötvözőfém vonal homológ vonalpárt alkot ha egymás közelében vannak és az intenzitásuk azonos. Az ötvözőnek ezt a koncentrációját, melynél az intenzitás azonosság fennáll, homológ koncentrációnak nevezzük. | ||||||||||||||
Természetesen egy-egy ötvözőre nem csak egy homológ vonalpár létezik. A vonalpárokat színkép atlaszok tartalmazzák. A minőségi elemzés során az ötvözőt vonalának helyén keressük. A mennyiségi elemzés során az ötvöző vonal és az alapfém vonal intenzitását hasonlítjuk össze. Az összehasonlítás a spektroszkópiában vizuálisan történik, ezért a hiba 20 rel.% is lehet. A spektrográfos és spektrométeres elemzéseknél a vonalak intenzitását méréssel határozzuk meg, és a pontosság etalonok használatával fokozható. | ||||||||||||||
| ||||||||||||||
![]() | Fémtani vizsgálatok | |||||||||||||
Az anyagok tulajdonságai jelentős mértékben függnek azok szövetszerkezetétől, szemcsenagyságától, és a bennük előforduló szennyeződésektől (nem fémes zárványok). | ||||||||||||||
Ezeknek a vizsgálatával foglalkoznak a fémtani vizsgálatok. | ||||||||||||||
A fémtani vizsgálatok ritkán végezhetők roncsolásmentesen. Általában próbát kell venni, ügyelve arra, hogy a szövetszerkezet ne változzék meg, majd azt elő kell készíteni. Az előkészítés csiszolást és polírozást jelent, amellyel egy "tükör sima" felületet alakítunk ki. Ezen a felületen vizsgálhatók a nem fémes részek pl. zárványok, vagy öntöttvasban a grafit. Ha a szövetszerkezetet is látni akarjuk a mintát maratni kell. A marószerek savak(pl. a vasötvözeteknél használatos alkoholos salétromsav a Nital), ritkábban lúgok (pl. Al vizsgálatánál NaOH) vizes vagy alkoholos oldata. | ||||||||||||||
A maratlan csiszolat N 100× a maratott N 500× nagyítással készült |
| |||||||||||||
| ||||||||||||||
A szabad szemmel vagy kézi nagyítóval végzett vizsgálatok a makroszkópos vizsgálatok. Ilyenek lehetnek pl. a töretvizsgálatok vagy a primer szövet vizsgálatok stb. | ||||||||||||||
A legtöbb esetben a szövetszerkezet vizsgálata csak mikroszkópos vizsgálattal lehetséges. A mikroszkópok a képalkotáshoz a visszavert fényt használják fel. A mikroszkóppal elérhető maximális nagyítás 2000x. | ||||||||||||||
Az elektronmikroszkópok fény helyett elektron sugarat használnak, melyet tekercsekkel fókuszálnak. Az ún. transzmissziós elektron mikroszkópban (TEM) a rendkívül vékony (speciális technikával előállított) fémet, vagy annak felületéről készített lenyomatot az ún. replikát "világítja át " a fókuszált elektronsugár. A módszer alkalmas a diszlokációk vizsgálatára is. A scanning (pásztázó) elektronmikroszkópok a tárgy felületéről visszaverődött elektronsugarakat használják fel a képalkotásban. Főleg töretek vizsgálatára használják | ||||||||||||||
![]() | Szilárdsági vizsgálatok | |||||||||||||
A szilárdsági vizsgálatok célja a szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságainak, terhelhetőségének meghatározása. | ||||||||||||||
A vizsgálatokat szabványos próbatesteken és berendezéseken végzik, de lehetséges az üzemi vizsgálat is. A vizsgálatokkal szilárdsági (pl. rugalmassági modulusz, folyáshatár szakítószilárdság, keménység stb.) és alakváltozási mérőszámokat (pl. szakadási nyúlás, kontrakció) határozhatunk meg. | ||||||||||||||
A különböző eljárások jellemezhetők az igénybevétel fajtájával (pl. húzó, nyomó, hajlító) és az igénybevétel időbeli lefolyásával (pl. lassú vagy statikus, ütésszerű vagy dinamikus, időben változó és többször ismétlődő vagy fárasztó). | ||||||||||||||
A szilárdsági vizsgálatokat az 1. modulban már részletesen ismertettük. |
![]() | Technológiai vizsgálatok | |
A technológiai vizsgálatok vagy más néven technológiai próbák célja az anyag alakíthatóságának, megmunkálhatóságának, azaz adott technológiára való alkalmasságának a meghatározása. | ||
A vizsgálatok általában az adott technológiákat modellezik, és jellemző rájuk, hogy a vizsgálat során az erőt legtöbb esetben nem mérjük, csupán azt határozzuk meg, hogy a vizsgálat anyag az adott technológiának megfelel-e. A technológiai vizsgálatoknak nagyon sok fajtája van. Ezek a következő csoportokba sorolhatók: | ||
| ||
![]() | Roncsolásmentes vizsgálatok | |
Az eddig ismertetett vizsgáló eljárásokkal az anyagok mechanikai, illetve technológiai tulajdonságait állapítottuk meg úgy, hogy a darabból próbát vettünk, tehát roncsoltuk. Igen sok esetben azonban nem használhatók a roncsolásos módszerek. Ilyenek lehetnek bizonyos öntvények (pl. alumíniumból készült keréktárcsák) vagy tartályoknál, gázvezetékéknél alkalmazott hegesztési varratok, de ilyen eset a hidakban, hajókon lassan terjedő repedések ellenőrzése stb. Ezek az esetek, azt igénylik, hogy a vizsgálatok a darabon magán legyenek elvégezhetők. | ||
Azokat a vizsgálatokat, melyek az anyagok külső és belső hibáinak az ún. rejtett hibáknak a kimutatására szolgálnak roncsolásmentes hibakereső vizsgálatoknak nevezzük. | ||
Az elektronika, a méréstechnika fejlődésének köszönhetően ez az anyagvizsgálat legdinamikusabban fejlődő területe. | ||
A roncsolásmentes vizsgálati eljárások dinamikus fejlődésének magyarázata | ||
| ||
A vizsgálati módszerekkel az alábbi feladatok oldhatók meg | ||
| ||
A vizsgálatok csoportosítása | ||
| ||
A darab belsejében lévő hibák kimutatására | ||
| ||
Mi alapján választjuk ki az eljárást? | ||
|
![]() | Vizuális megfigyelés | ||||||
A vizuális vizsgálattal a felületi hibák, a felületre kijövő repedések észlelhetők. Segédeszközként kézi nagyító, üregek vizsgálatán endoszkóp, video endoszkóp alkalmazhatók. | |||||||
A vizsgálathoz a felületet gondosan elő kell készíteni. Ez a legtöbb esetben a tisztítást, esetleg a maratást jelenti, de nagyon fontos a megfelelő megvilágítás is. | |||||||
| |||||||
| |||||||
| |||||||
![]() | ![]() Az alsó képek a berendezéssel készült felvételeket mutatják. | ||||||
| |||||||
![]() | Folyadék behatolásos vagy penetráló folyadékos vizsgálat | ||||||
Az eljárást nevezik festék diffúziós módszernek is. | A felületre kinyúló folytonossági hiányok, repedések stb. kimutatására alkalmas igen érzékeny vizsgálati módszer. | ||||||
Ha a gondosan megtisztított felületre nagy behatolóképességű, kapillár aktív piros vagy fluoreszcensz anyagot viszünk fel, akkor az a nyílt hibákba beszivárog. A felesleges penetráló anyag eltávolítása után a felületre felvitt nagy szívóhatású anyag a folytonossági hiányokból előhívja a jelző folyadékot, láthatóvá téve ezáltal az addig nem látható hibákat. A vizsgálat utolsó lépése a kiértékelés. | |||||||
| |||||||
A módszer nagy előnye, hogy a porózus anyagok kivételével, minden anyag (könnyűfémek, színesfémek, acélok, öntöttvasak, műanyagok, üveg, porcelán stb.) vizsgálatára alkalmas. Továbbá, hogy nincs különleges helyigénye, nem igényel költséges beruházást, bárhol, helyszínen is elvégezhető. A zsírtalanító, jelzőfolyadék, és előhívó anyagok spray kivitelben is kaphatók. | |||||||
| |||||||
| |||||||
|
![]() | Mágnesezhető poros vizsgálat | ||
A ferromágneses fémek felületén, vagy felületének közelében lévő szabad szemmel nem, vagy alig látható folytonossági hiányok (repedések, zárványok, pórusosság stb.) kimutatására alkalmas módszer. | |||
| |||
A vizsgálat azon alapszik, hogyha egy ferromágneses anyagot mágneses térbe helyezzük, abban mágneses erővonalak jönnek létre. Az erővonalak a darabban egyenletesen haladnak, - irányuk a mágnesezéstől függ -, de ha útjukba folytonossági hiány kerül, azt kikerülik. Ha a folytonossági hiány a darab felületén vagy annak közelében van, akkor az erővonalak a levegőbe lépnek ki, vagyis szóródnak. | |||
A szórt mágneses mezőt a felületre felvitt finom ferromágneses por segítségével kimutathatjuk. Az erővonalak azonban csak akkor térnek ki észrevehető mértékben, ha a hiba közel merőleges az erővonalakra, és a felületen van, vagy elég közel hozzá. Ebből következik, hogy a mágneses repedésvizsgálatot mindig több, de legalább két egymásra merőleges mágneses mezővel kell végezni. | |||
Folytonos térrel történő mágnesezés | |||
Áramátvezetéssel | |||
| |||
Elsődlegesen hosszirányú hibák kimutatására | |||
| |||
Kombinált mágnesezés | |||
A kombinált módszerek egyaránt alkalmasak hossz- és keresztirányú mágneses tér gerjesztésére. | |||
| |||
A korszerűbb berendezésékben két váltakozó árammal gerjesztett teret szuperponálnak. Mindkét esetben az eredő mágneses tér a váltóáram frekvenciájának megfelelően változtatja irányát, így bármilyen irányú hiba valamelyik időpillanatban merőleges, az erővonalakra, tehát kimutatható. | |||
A mágneses repedésvizsgálat megfelelő mágnesezés esetén igen érzékeny módszer. A vizsgálat érzékenysége a mágnesezésen kívül, a hiba jelző anyagtól függ. | |||
A hibajelző anyag lehet száraz por, vagy vízzel, esetleg olajjal képzett szuszpenzió. A jelző por vasoxid (a vöröses barna Fe2O3 vagy a fekete színű Fe3O4) amit többnyire, ellátnak ultraibolya fény hatására zöldes, vagy sárga színben fluoreszkáló műgyanta bevonattal. A hibajelző anyag állapotáról etalon darabok vizsgálatával győződhetünk meg. | |||
|
Kiértékelés | ||||||
A darab mágnesezése, a hibajelző szuszpenzió felhordása után a darabot szemrevételezzük. A szemrevételezést a hibakimutatásra használt jelzőanyagtól függően normál vagy UV fényben végezzük. | ||||||
A hibás helyeket a darabon, és vagy annak rajzán meg kell jelölni. | ||||||
| ||||||
| ||||||
| ||||||
A vizsgálat után a darab a mágnesezéstől függően kisebb, vagy nagyobb mértékben mágneses marad. A visszamaradó mágnesesség nem engedhető meg, mert pl. tengelyek esetében a leváló fémrészecskéket magához vonzza, ami gyors kopást, berágódást okozhat, vagy a forgácsoló szerszámok élére tapadó forgács akadályozza a megmunkálást stb. | ||||||
A mágneses repedésvizsgálat után a darabot demagnetizálni kell. A demagnetizálás folyamatosan csökkenő áramerősséggel, váltóárammal történik tekercs segítségével. | ||||||
| ||||||
| ||||||
| ||||||
A mágnesezhető poros vizsgálat elvégezhető két vagy négy pólusú hordozható készülékekkel is. | ||||||
|
![]() | Magnetoinduktív vizsgálat | ||
A ferromágneses anyagok szövetszerkezete és mágneses tulajdonságai között egyértelmű összefüggések vannak. Így pl. a permeabilitás, a koercitív erő és a hiszterézis az anyag szerkezetének függvényei. A szövetszerkezet pedig az acélok összetételétől, hőkezelésétől, a hideg vagy melegalakítás mértékétől stb. függ. Így a mágneses tulajdonságok ismeretében bizonyos következtetéseket vonhatunk le. | |||
A módszer lényege, hogy egy etalon darabbal hasonlítjuk össze a vizsgált darabokat úgy, hogy két tekercset kapcsolunk egymással szembe. A tekercsek egyikében az etalont, a másikban a vizsgálandó darabot helyezzük el. Ha a darab az etalonnal összetételben, hőkezeltségben, keménységben stb. megegyezik, akkor a műszer nem tér ki, ha eltérés van, akkor a műszer eltérést jelez. | |||
| |||
pl. nagyszilárdságú nemesített csavarok ellenőrzése |
| ||
| |||
![]() | Örvényáramos vizsgálat | ||
A vizsgálat fizikai alapja: | |||
Az elektromosan vezető anyagokban, időben változó mágneses tér indukció utján áramot gerjeszt. Ezt az áramot örvényáramnak nevezzük. Az örvényáram maga is gerjeszt mágneses teret, mely a külső mágneses térrel ellenkező irányú. A két mágneses tér összegződik, mely eredő erőtérhez vezet és amelyet mérni és értékelni lehet, változásaiból, viselkedéséből különböző anyaghibákra vagy anyagtulajdonságokra lehet következtetni. | |||
| |||
Alkalmazási területek | |||
| |||
|
Ellenőrző kérdések | |||||||||
1. Egészítse ki az alábbi definíciót a megadott szavak valamelyikével! A hiba az ... állapottól való eltérés.
![]() | |||||||||
2. Jelölje meg az alábbi állítások közül az egy helyes állítást!
![]() | |||||||||
3. Milyen vizsgálattal ellenőrizné egy közepes méretű tartály belső felületét?
![]() | |||||||||
4. Milyen anyagok ellenőrzésére alkalmas a mágnesezhető poros vizsgálat?
![]() | |||||||||
5. Vizsgálja meg az alábbi állítás helyességét! A mágnesezhető poros vizsgálattal az erővonalakra közel merőleges belső hibák mutathatók ki.
![]() | |||||||||
6. Alumíniumöntvény felületi hibáinak kimutatására válasszon módszert az alábbiak közül!
![]() | |||||||||
7. Válassza ki a megadott állítások közül a helyes állítást!
![]() | |||||||||
8. Válassza ki az egy helyes állítást!
![]() |