Lomové vzory na kovových lomových plochách a řešení problémů při analýze metalurgických poruch
U kovových materiálů používaných v nejrůznějších výrobcích je jisté, že se jednou zlomí v důsledku používání nebo působení prostředí. Příčiny lomu lze určit pouze pozorováním kovových materiálů a správnou analýzou lomových ploch (fraktografií).
V automobilovém a leteckém průmyslu a dalších odvětvích, kde je důležitá bezpečnost, je kvalita materiálu základním pilířem zajišťujícím a zvyšujícím kvalitu výrobků.
V této části jsou popsány metody analýzy metalurgických poruch a vlastnosti lomových vzorů a lomových ploch. Tato část také uvádí příklady použití digitálního 4K mikroskopu při řešení problémů v rámci analýzy metalurgických poruch.
- Příčiny lomu zjištěné z kovových lomových ploch
- Druhy fraktografie
- Lomové vzory kovových materiálů
- Problémy při analýze metalurgických poruch a jejich řešení
- Zvýšení pokročilosti a efektivity analýzy metalurgických poruch
Příčiny lomu zjištěné z kovových lomových ploch
Kovové materiály jako ocel, měď a hliník se používají v řadě výrobků od domácích spotřebičů, přes hračky až po zařízení a vybavení veřejné infrastruktury.
Zejména v poslední době se provádí výzkum nových materiálů s mimořádnými vlastnostmi, především v automobilovém a leteckém průmyslu. Tento výzkum je nezbytný, aby byly splněny požadavky na snížení rozměrů a hmotnosti výrobků a současně došlo ke zvýšení tuhosti těchto materiálů, což vede k úsporám energie a snížení výrobních a zpracovatelských nákladů. V odvětví automobilů, letadel, lodí, železničních vozidel a pilotovaných kosmických lodí může lom kovového materiálu znamenat riziko pro životy lidí. Proto se na výběr materiálů a úroveň bezpečnosti kladou přísné požadavky založené na pevnostních výpočtech.
Při výběru kovových materiálů se provádějí různé materiálové zkoušky studující pevnost těchto materiálů.
Níže jsou uvedeny obvyklé způsoby zkoušení.
- Mechanické zkoušky:
- Zkouška pevnosti v tahu, ohybu, tlaku, střihu, tečení (creepu), zkouška na opotřebení atd.
- Zkoušky tvrdosti:
- Vnikací zkouška tvrdosti, dynamická zkouška tvrdosti
- Zkoušky chemické odolnosti:
- Korozní zkouška
Pomocí materiálových zkoušek nebo pozorování struktury (fraktografie) kovových povrchů s následky lomu po použití ve výrobcích dodaných zákazníkům je třeba zjistit příčiny lomu a základní vlastnosti materiálu. Zjištění slouží k hodnocení, výběru nebo zlepšení materiálů.
Druhy fraktografie
Fraktografie zkoumá, jak došlo k lomu v kovovém materiálu (na základě vzoru lomové plochy nebo tvaru lomu). Na základě pozorování struktury odhaduje hlavní příčiny lomu, přičemž uvažuje různé faktory, jako je materiál, způsob výroby, tvar a podmínky používání. K pozorování struktury lomové plochy slouží několik metod. Následující metody jsou hlavní fraktografické metody určené pro kovové materiály.
Makroskopické pozorování
Makroskopické pozorování je způsob analýzy, při kterém se například využívá pozorování volným okem, velkými zvětšovacími lupami a stereoskopickými mikroskopy. Toto pozorování lze snadno provést v místě výskytu lomu a slouží k přibližnému určení příčiny lomu na základě typu lomu, přítomnosti postupových čar a dalších ukazatelů. Makroskopické pozorování však samo o sobě nepostačuje k podrobnému zjištění průběhu lomu.
Mikroskopické pozorování
Mikroskopické pozorování studuje mikroskopické vlastnosti na základě pozorování struktury lomové plochy. Pro tento účel využívá optické mikroskopy a skenovací elektronové mikroskopy (SEM). Při tomto druhu pozorování lze podrobně prostudovat tvary lomu. Postupujte se tak, že se snímají různé vlastnosti lomové plochy, jak jsou důlky a pruhované vzory.
Lomové vzory kovových materiálů
Lomové vzory (tvary lomu) se dělí na houževnatý (plastický) lom, křehký lom, únavový lom a lom v důsledku působení prostředí. U každého vzoru lze pozorovat vlastnosti lomové plochy makroskopickým a mikroskopickým pozorováním, což umožňuje zjistit příčinu lomu. Níže je uveden přehled všech lomových vzorů a souhrnný popis příslušné lomové plochy.
Houževnatý (plastický) lom
Houževnatý (plastický) lom je lomový vzor pozorovaný u mnoha kovových materiálů. Naznačuje velkou deformaci, jako je tah nebo vznik krčku vedoucí až k výskytu lomu. Při pozorování struktury lze pozorovat následující charakteristiky a podrobné lomové vzory.
- Vlastnosti lomových ploch
-
- Makroskopické pozorování:
- Smykový okraj (smykový lom, koncový bod lomu), matně šedavě bílý
- Mikroskopické pozorování:
- Izometrický důlek (porušení tahem), protažený důlek (smykový lom), vzor se zahnutými pruhy (lom po skluzové rovině)
Křehký lom:
Křehký lom je lomový vzor, který svědčí o rychlém praskání a současné malé plastické deformaci. Při praskání nedochází k plastické deformaci okolo lomové plochy. Ke křehkému lomu obvykle dochází v mnoha ocelových materiálech podléhajících běžnému používání. V mnoha případech se lomová plocha skládá z kvazi-štěpných lomových ploch, které jsou pozorovány u výrazně tepelně zpracované oceli a běžné konstrukční oceli nacházející se v extrémně chladném prostředí.
- Vlastnosti lomových ploch
-
- Makroskopické pozorování:
- Stříbřitě bílý odlesk, klikatý vzor (rychlý transgranulární lom), radiální šíření trhlin
- Mikroskopické pozorování:
- Kvazi-štěpná lomová plocha, vlasový (river) vzor, granulární lom, komplexní lom
Únavový lom
Únavový lom je lomový vzor, který svědčí o postupném praskání za opakovaného namáhání. Říká se, že více než 70 % lomových vzorů na mechanických konstrukcích spadá pod tento druh vzoru.
Vzhled materiálu s lomem se nevyznačuje protažením ani krčkem, čímž se tento vzor podobá křehkému lomu, ale mikroskopické pozorování odhalí značnou plastickou deformaci.
Lomová plocha je v porovnání s plochami jiných lomových vzorů obvykle hladká a makroskopické pozorování odhalí postupové čáry (konchoidální vzory). Ze vzhledu těchto postupových čar lze usoudit na místo počátku lomu a směr postupu praskání.
Při mikroskopickém pozorování je obvykle patrný pruhovaný vzor zvaný striace (rýhování). Tento pruhovaný vzor je svislý na směr postupu šíření trhliny. Běžně se vyskytuje u hliníkových a měděných slitin a nepříliš často u železných slitin.
- Vlastnosti lomových ploch
-
- Makroskopické pozorování:
- Postupová čára (konchoidální vzor), ratchetingová značka (několik bodů koncentrace napětí), rybí oko (počáteční bod lomu), radiálně se šířící trhliny
- Mikroskopické pozorování:
- Striace (odpovídající napěťovému cyklu), vzor připomínající striaci (neodpovídající napěťovému cyklu), vedlejší trhliny, otěrové stopy nebo lomy bez znatelných rysů
Lom v důsledku působení prostředí
Lom v důsledku působení prostředí je lomový vzor, ke kterému dochází při rozvoji trhliny v korozivním prostředí. K tomuto lomu proto může dojít také za extrémně malého externího namáhání.
Typické lomy v důsledku působení prostředí jsou vodíková křehkost (také vodíkové křehnutí) a korozní praskání pod napětím.
- Vodíková křehkost
- Vodíková křehkost se také nazývá zpožděný lom a obvykle je pozorována u ocelí. Tento jev (křehnutí) je způsoben pronikáním vodíku do materiálu. K tomuto pronikání obvykle dochází ve výrobním procesu, jako je svařování nebo pokovování, a během korozních reakcí v prostředí, ve kterém je materiál používán.
- Korozní praskání pod napětím
- K praskání často dochází při nehodách, v nichž je materiálem austenitická nerezavějící ocel. V prostředí s ionty jednouhlíkových molekul (C1-) dochází zejména k transgranulárnímu lomu (lomu mezi zrny). Naproti tomu k lomům podél hranic zrn dochází v materiálech jiných, než je nerezavějící ocel, například v čisté mědi, mosazi a hliníkových slitinách.
- Vlastnosti lomových ploch
-
- Vodíková křehkost
-
- Makroskopická analýza
- Stříbřitě bílý odlesk
- Mikroskopická analýza
- Granulární lom, vlasová stopa
- Korozní praskání pod napětím
-
- Makroskopická analýza
- Částečný odlesk, rez nebo změna zabarvení
- Mikroskopická analýza
- Granulární lom, „péřový“ vzor
- Vysokoteplotní lom
-
- Makroskopická analýza
- —
- Mikroskopická analýza
- Granulární lom, důlek, prohlubeň
Problémy při analýze metalurgických poruch a jejich řešení
Jak je popsáno výše, pozorováním lomových ploch nejen makroskopicky, ale také mikroskopicky, lze podrobně studovat lomové vzory a pochopit příčiny a podmínky lomu.
Pomocí našeho digitálního 4K mikroskopu, který využívá nejnovější optickou technologii, obrazový snímač CMOS a technologii zpracování obrazu, lze s vysokým rozlišením snímat různé lomové vzory, a tím zvýšit spolehlivost fraktografie.
Tato část uvádí příklady analýz metalurgických poruch digitálním 4K mikroskopem řady VHX od společnosti KEYENCE s mimořádně vysokým rozlišením.
Odstranění odlesků na kovové lomové ploše
S využitím digitálního 4K mikroskopu řady VHX
Funkce odstranění odlesků dokáže potlačit nežádoucí světelné odrazy, takže lze jasně zachytit i nepatrné praskliny na kovové lomové ploše.
Úplné zaměření celého objektu i v případě nerovných kovových lomových ploch
S využitím digitálního 4K mikroskopu řady VHX
Funkce hloubkové kompozice v reálném čase umožňuje zaostřit celou kovovou lomovou plochu. Tato funkce nejen zkracuje dobu potřebnou k opakovanému zaostřování, ale umožňuje také pozorovat a vyhodnocovat mnoho kombinovaných vlastností vyskytujících se na lomové ploše.
Analýza detailů bez ohledu na úhel a stín
S využitím digitálního 4K mikroskopu řady VHX
Pomocí funkce vícenásobného osvětlení, která automaticky snímá data mnohostranného osvětlení pouhým stisknutím tlačítka, můžete vybrat nejvhodnější obraz pro pozorování struktury.
I po výběru nebo exportu sejmutých obrazů jsou obrazová data se všemi jednotlivými světelnými podmínkami uložena do počítače. Lze také jednoduše pomocí myši načíst obraz s odlišnými světelnými podmínkami.
Jasné pozorování i v případě nepatrných tvarů a jemných vzorů
S využitím digitálního 4K mikroskopu řady VHX
Režim optického stínového efektu představuje novou pozorovací metodu, která kombinuje speciálně navržený objektiv s vysokým rozlišením, obrazový snímač CMOS s rozlišením 4K a osvětlení. Tato metoda analyzuje kontrast v obraze sejmutém s měnícím se osvětlením.
Metoda umožňuje jasné pozorování jemných a velmi malých nepravidelností na kovové lomové ploše. Informace o nepravidelnostech lze zobrazit také v různých barvách. Toho lze docílit sestavením obrazu v režimu optického stínového efektu s využitím informací o barvách.
Zvýšení pokročilosti a efektivity analýzy metalurgických poruch
Jak bylo vysvětleno výše, pomocí digitálního 4K mikroskopu řady VHX s vysokým rozlišením lze snadno zobrazovat kovové lomové plochy.
Protože mikroskop řady VHX dokáže zkrátit dobu analýzy metalurgických poruch, umožňuje urychlit proces zvyšování kvality a proces výzkumu a vývoje. Mikroskop řady VHX také umožňuje uchovat obrazová data, v nichž jsou přesně zachyceny vlastnosti kovových lomových ploch. Na základě předchozích trendů a porovnání tak můžete snadno vybírat a vylepšovat použité materiály.
Mikroskop řady VHX je vybaven mnoha vyspělými funkcemi. Může být výkonným partnerem pro efektivnější fraktografii a pozorování struktur, což je nezbytné, pokud se chcete dostat do čela výzkumu a vývoje. Podrobnosti naleznete v katalogu, který si můžete stáhnout kliknutím na následující tlačítko. V případě dotazů klikněte níže na druhé tlačítko umožňující kontaktování společnosti KEYENCE.
