Projekt Vzdělávání pedagogů středních odborných škol Olomouckého kraje v nových trendech vyučovaných oborů Reg.číslo projektu: CZ.1.07/3.2.05/04.0087 Inovace vzdělávacího modulu v nových trendech ve strojírenství KONTROLA A MĚŘENÍ UČEBNÍ MATERIÁLY PRO ÚČASTNÍKY PILOTNÍHO OVĚŘOVÁNÍ TÉMA 5 NEDESTRUKTIVNÍ TESTOVÁNÍ MATERIÁLU Autorka: Ing. Věra Kozáková Střední průmyslová škola strojnická Tř. 17. listopadu 49 Olomouc Stránka 1 z 17
OBSAH 1. Nedestruktivní testování materiálu 3 1.1. Zkoušky chemického složení 3 1.2. Zkoušky metalografické 5 1.3. Zkouška elektromagnetická polévací 10 1.4. Zkouška kapilární 11 1.5. Zkouška prozařováním rentgenovým 12 zářením a gama zářením 1.6. Zkouška ultrazvukem 14 Literatura Stránka 2 z 17
1. NEDESTRUKTIVNÍ TESTOVÁNÍ MATERIÁLŮ Kvalita produkce se kontroluje v průběhu celého výrobního cyklu. Při nedestruktivním testování materiálů (NDT) jsou veškeré zkoušky realizovány způsobem, při kterém nedochází ani k nejmenšímu porušení či poškození zkoušeného dílu. U zkoušek povrchové homogenity jsou vyhledávány necelistvosti testovaných povrchů magnetickou nebo penetrační metodou. U zkoušek vnitřní homogenity jsou ultrazvukem nebo prozařováním vyhledávány vnitřní necelistvosti. NDT zkoušky: - Zkoušky chemického složení - Zkoušky metalografické - Ultrazvukové zkoušky (patří sem i měření tloušťky stěny ultrazvukovým defektoskopem, není v textu) - RTG prozařováním do tloušťky materiálu 50 mm - RTG prozařování do tloušťky materiálu 40 mm (s výstupem na TV obrazovku a s možností záznamu) - magnetická polévací kontrola - penetrační neboli kapilární kontrola Nedestruktivní testování materiálů provádí zkušený personál, jehož kvalifikace je pravidelně ověřována nezávislou certifikační organizací podle EN 473 ve stupni Level II. 1.1. Zkoušky chemického složení Kontrola chemického složení materiálu je prováděna spektrometricky. Spektrální analýza kovů: analýza kovových materiálů se v současné děje v oblasti optické atomové spektrometrie. Za tímto účelem se vyrábí speciální emisní spektrometry (kvantometry)m které slouží k laboratornímu provoznímu určení složení kovů ale, také se masově používají v e formě přenosných ručních přístrojů ke zjišťování složení kovového šrotu. Přístroje jsou konstruovány a vyrobeny pro určitý analytický program matiční prvek- železo, hliník, Cu apod. Každý spektrometr se skládá z budícího zdroje + jiskřiště, optického systému - polychromátoru, řídící a vyhodnocovací elektrotechniky. Optická spektrometrie je založena Stránka 3 z 17
na registrování fotonů vzniklých přechody valenčních elektronů z vyšších energetických stavů na nižší stavy, měří se záření emitované atomy v excitovaném (vybuzeném) stavu. Poloha čáry λ charakterizuje kvalitativní složení vzorku, intenzita čáry zase kvantitativní složení vzorku. K vybuzení spekter se používá elektrických výbojů obloukový výboj AD (Arc-Discharges), jiskrový výboj SD (Spark-Discharges), řízený el oblouk, difuzní výboj. Výboje mohou být na vzduchu, nebo v ochranné atmosféře (argon).[2] Vzorek před analýzou se orovnává a částečně obrousí, aby došlo ke vzniku rovnoměrného výboje. Protože materiál je více-méně nehomogenní, povrchová vrstvička může být nauhličena, znečištěna, provádí se nejprve předjiskření, kdy dojde během výboje k přetavení a tím homogenizaci povrchu. Následují 2 analytické jiskření, během kterého se integrují intenzity emisí v jednotlivých kanálech. Výsledkem analýzy je kvalitativní složení vzorku které prvky obsahuje a kvantitativní složení- jaké je % zastoupení jednotlivých prvků. Obrázek 1 stacionární spektrometr [1] Stránka 4 z 17
1.2. Zkoušky metalografické Obrázek 2 přenosný spektrometr [1] Hodnocení metalografické struktury materiálu: - Zajištění hodnocení mikrostruktury pro přezkoušení správnosti tepelného zpracování, - určení mikročistoty materiálu, - určení velikosti zrna, - vyhodnocení litiny, - stanovení oduhličení, - hodnocení povrchově kalených, cementačních vrstev, - kvantitativní hodnocení, - hodnocení vad součásti. Rozdělení: a) makroskopické - zjišťujeme makrostrukturu pouhým okem nebo lupou do max. zvětšení 30x (50x) b) mikroskopické - zjišťujeme mikrostrukturu metalografickými mikroskopy se zvětšením 100x a výše (max.1500x) a) makroskopické zkoušky Stránka 5 z 17
- můžeme sledovat: 1) lom - jestli je houževnatý nebo křehký 2) vady - pokud jsou větších rozměrů 3) průběh vláken - po tváření, nýtování, kování atd. 4) vrstvy - např. cementované, nitridované a povrchově kalené 5) hloubku provaření svaru při svařování Obrázek 3 lom materiálu, zvětšeno 30x [4] b) mikroskopické zkoušky - mikroskopy: světelné (optické):-jejich nevýhoda spočívá v tom, že musí mít perfektně připravený vzorek, protože optika nerozliší různé výšky. Rozdělení:- s vrchním osvětlením vzorku - se spodním osvětlením vzorku Obrázek 4 optický mikroskop [4] mikroskopy elektronové jim různá drsnost povrchu - větší zvětšení => lze pozorovat vady krystalové mřížky; nevadí Stránka 6 z 17
Obrázek 5 elektronový mikroskop[6] Obrázek 6 struktura pozorovaná elektronovým mikroskopem [7] Použití: tyto zkoušky se používají ke zjištění všech vad vyskytujících se v polotovarech nebo v hotových výrobcích. Zkoušky bez porušení materiálu se používají v sériové výrobě a jsou velmi důležité, neboť při včasném zjištění závady lze zabránit značným finančním ztrátám. Příprava vzorku: - vyříznout materiál (pozor na tepelné zpracování => intenzivní chlazení při dělících operacích) Běžný materiál - strojní pilka Obtížně obrobitelný materiál (austenit) - rozbrušování pomalou rychlostí + intenzivní chlazení Stránka 7 z 17
Obrázek 7 schéma přípravy vzorku pro metalografickou zkoušku[2] - zalít do dentakrylu nebo pryskyřice pro lepší manipulovatelnost - brousit na metalografických bruskách - leštit na metalografických leštičkách pomocí směsi Spinelin (bílý korund A99 a modifikace Gama Spinelinu, je ředěn v poměru 1:20), leštíme do zrcadlového lesku - leptání pro vyvolání struktury - leptadlo Nital - 2-5% HNO 3 + líh - naneseme, necháme působit asi 1 min. pro dosažení našedlé barvy potřeme vodou nebo čistým lihem opláchneme a osušíme, po naleptání vystoupí struktura materiálu a je možno ji pozorovat (např. velikost zrn materiálu, tvar a množství jednotlivých fází, např. ferit, perlit...) Obrázek 8 připravený vzorek Stránka 8 z 17
Obrázek 9 snímek struktury materiálu [3] METALOGRAFICKÁ Makroskopická zkouška Obrázek 10 snímek vad svaru -metalografická zkouška [4] BAUMANNŮV OTISK Zjišťuje se průběh vláken pomocí fotografického papíru, který se namočí na 5 minut do 5% kyseliny sírové. Potom se na 1-2 min. přiloží na výbrus, po sejmutí se vypere ve vodě a vloží do ustalovače. Mezi sirníky a citlivou vrstvou fotografického papíru dochází k reakci, výsledkem je hnědé zbarvení papíru (použití - automatová ocel). Stránka 9 z 17
1.3. Zkouška elektromagnetická polévací - používá se pouze u feromagnetických materiálů pro zjištění trhlin a podobných vad, které sahají až na povrch materiálu. Podstata zkoušky je v tom, že ve zkoušeném předmětu vytvoříme magnetické pole. Siločáry jsou pak vytlačeny na povrch v těch místech, kde jsou trhliny, a vytvoří se na materiálu magnetické póly. Zkoušený předmět se poleje detekční kapalinou, tj. olejem (petrolejem), v němž je rozptýleno jemné práškové železo (metalizovaný olej). Železné částečky se uchytí na povrchu součásti v místech, kde se vytvořily magnetické póly. Z ostatních míst jsou železné částečky odplaveny olejem. Tím vznikne obraz vady dříve prostým okem neviditelné. Obrázek 11 princip zjišťování podélných vad [5] Obrázek 12 princip zjišťování příčných vad[5] Obrázek 13 princip zařízení pro podélnou a příčnou magnetizaci[5] Stránka 10 z 17
Obrázek 14 zkouška v praxi [8] Obrázek 15 zvýrazněná část - vada materiálu, zviditelněná pod UV světlem [8] 1.4. Zkouška kapilární používáme ji převážně u materiálů nemagnetických. Zkoušený předmět natřeme nebo ponoříme na určitou dobu do indikační tekutiny (petrolej, fluorescenční kapalina aj.). Potom jej opláchneme, osušíme a posypeme detekční látkou (např. plavenou křídou). Má-li zkoumaný předmět trhliny, vystupuje po nějaké době vlivem vzlínavosti tekutina z trhliny k povrchu a na vrstvě plavené křídy vznikne zvýrazněný obraz trhliny. Obrázek 16 princip kapilární zkoušky[9] Stránka 11 z 17
Obrázek 17 praktické provedení zkoušky Obrázek 18 přípravky pro provedení zkoušky [8] 1.5. Zkouška prozařováním rentgenovým zářením a gama zářením Je založena na schopnosti krátkovlnného záření pronikat materiálem, na jeho zeslabení absorpcí v materiálu a na jeho působení na citlivou vrstvu fotografického filmu. Zeslabení intenzity záření závisí na hustotě zkoušeného předmětu a na jeho tloušťce. Je-li v předmětu vnitřní vada (póry, staženiny a nečistoty v odlitcích, výkovcích, svarech apod.), je v tomto místě skutečná tloušťka kovu menší o rozměr vady ve směru záření. Hustota materiálu v místě vady je také menší, a proto je intenzita záření v místě vady zeslabována méně než v jejím okolí. Na film umístěný na opačné straně předmětu dopadne v místě vady záření o větší intenzitě. Vada se tedy projeví na vyvolaném snímku (rentgenogram, gamagram) jako tmavá vrstva na světlejším pozadí. Princip zkoušky je na obr. 3-37. Rentgenový přístroj v ochranném krytu vysílá svazek přes filtr a clonu na zkoušený předmět. Části, které nemají být ozařovány, jsou kryty olověnou maskou. Těsně za zkoumaným předmětem je kazeta s filmem. Aby bylo možno vadu zjištěnou na snímku nalézt také na skutečném předmětu, používáme olověných písmen nebo značek. Jejich poloha se na předmětu trvale označí a na snímku je lze velmi dobře přečíst, neboť jsou proti ostatnímu obrazu velmi světlé. Kromě toho na stranu předmětu přivrácenou ke zdroji záření přikládáme Stránka 12 z 17
měrku (drátky) s různě odstupňovanými průměry k určení dosažen rozeznatelnosti vad. Dosaženou rozeznatelnost udáváme v procentech prozařované tloušťky a bývá o 1 do 2 %. Při zkoušce rentgenovým zářením používáme rentgenové přístroje, v poslední době se začínají používat betatrony. Při zkoušce gama zářením používáme radioaktivních zdrojů přirozených nebo umělých. Porovnáme-li rozeznatelnost vad při použití rentgenového záření a gama záření, zjistíme, že u ocelí do tloušťky asi 55 mm dává zkouška rentgenem lepší výsledky. Od této tloušťky je rozeznatelnost vad při obou metodách prakticky stejná. Pro materiály větší tloušťky je u zkoušky rentgenovým zářením zapotřebí velmi vysokých napětí, nebo se používá betatronů. Častěji však u materiálů větších tlouštěk používáme gama záření. Jeho předností je snadné přemisťování zkušebního zařízení. Na pracovištích s rentgenovými přístroji a radioaktivními látkami je nutno zachovávat bezpečnostní předpisy, aby pracovníci i pomocný personál neutrpěli újmy na zdraví. Platí zde ČSN 34 1720 a ČSN 34 1730. Obrázek 19 princip zkoušky RTG prozařováním [5] Stránka 13 z 17
Obrázek 20 praktické provedení zkoušky 1.6. Zkouška ultrazvukem Patří mezi moderní způsoby zkoušení materiálů. Zkoušky jsou zdravotně nezávadné, dají se provádět rychle a lze jich použít i pro materiál až několik metrů tlustý. Při těchto zkouškách používáme impulsní defektoskopy. Mají buď jednu sondu (pracuje střídavě jako vysílač i jako přijímač), nebo dvě sondy (sonda vysílací a přijímací). Nejrozšířenější z těchto zkoušek je metoda odrazová, při které se krátkodobý ultrazvukový impuls vysílá do zkoušeného materiálu. V něm se odráží od protilehlé stěny nebo od možné vady a ne Stránka 14 z 17
téže straně, na níž je vysíláno, se opět přijímá (obr. 20). Působením řídicího impulsu se rozkmitá oscilační obvod generátoru. Jeho kmity se přenesou na křemenný krystal umístěny ve vysílači, který vyšle do zkoušeného materiálu svazek ultrazvukových vln. Část budicího impulsu se při tom zavede přes zesilovač do oscilografu, na jehož stínítku se objeví kmit základní echo. Svazek ultrazvukových vln prostupuje materiálem, narazí na protější stěnu, tam se odrazí a vrátí se zpět do přijímače, kde rozkmitá jeho krystal. Vzniklé elektrické kmity se vedou přes zesilovač do oscilografu, na jehož stínítku se objeví koncové echo. Je-li v materiálu vada, odrazí se od ní část ultrazvukových vln. Ty dospějí do přijímače dříve a na stínítku oscilografu se projeví jako poruchové echo. Další je metoda průchodová (obr. 21). Ultrazvukové vlny se zavádějí do zkoušeného předmětu na jedné straně a přijímají se na straně protilehlé. Je-li v materiálu vada, na její ploše se odrážejí ultrazvukové vlny, takže za vadou vzniká ultrazvukový stín. Této metody používáme např. k zjišťování zdvojení plechů. Zkoušení ultrazvukem je vhodné pro materiály velké tloušťky a tehdy, kdy jiné způsoby zkoušení nedávají uspokojivé výsledky. Ultrazvuku používáme i při zkoušení neželezných kovů. Další výhodou zkoušení ultrazvukem je malý rozměr přístroje a jeho snadná přenosnost. Stránka 15 z 17
Obrázek 21 princip odrazové metody [4] Obrázek 22 princip průchodové metody[4] Obrázek 23 praktické provedení zkoušky Stránka 16 z 17
Obrázek 24 záznam výstupu na přístroji LITERATURA: [1 ] [online]. [cit. 2014-07-29] Dostupné z http://www.spektrometry.cz/ [2] [online]. [cit. 2014-07-29] Dostupné z http://http://www.vscht.cz/met/stranky/vyuka/labcv/labor/fm_metalografie_1/teorie.htm [3] [online]. [cit. 2014-07-29] Dostupné z http://http://vukpb.cz/laboratore/metalografickalaborator.php [4] MICHAL RULÍŠEK Maturitní ročníková práce: SPŠS Olomouc.- opravit jméno [5]HLUCHÝ, Miroslav. Strojírenská technologie: učebnice pro 1. a 4. roč. střední průmyslové školy. 2. vyd. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1978, 356, s. [6] [online]. [cit. 2014-07-29] Dostupné z http://www.isibrno.cz/lem/jeol.html [7] [online]. [cit. 2014-07-29] Dostupné z http://home.gli.cas.cz/lisa/vridlovce/slides/ [8] [online]. [cit. 2014-07-29] Dostupné z http://www.tediko.cz/index.php?sub=02cz&lang=cz&p=0207cz [8] [online]. [cit. 2014-07-29] Dostupné z http://uvp3d.cz/drtic/?page_id=2056 Stránka 17 z 17