Defektoskopie Mikroskopie Email: mhorakova@pf.jcu.cz Tel: 387 77 3057 MTDII
Defektoskopie DEFEKTOSKOPIE = nedestruktivní zkoušky ke zjišťování vad materiálu. Podle fyzikálních principu na: Vizuální Kapilární Magnetoinduktivní Ultrazvukové Prozařovací Při zpracování kovových materiálů může dojít k porušení jejich homogenity a soudržnosti. Při lití vznikají v kovech bubliny, uvnitř kovu může být zalita struska, formovací písek nebo jiná nežádoucí složka. Při tváření kovů a při tepelném zpracování mohou v důsledku pnutí vzniknout v materiálu praskliny. Popisované vady mohou být zjevné nebo skryté. Polotovary a výrobky se zjevnými vadami je možno snadno odstranit, případně opravit. Skryté vady však mohou způsobit poškození výrobků. Vady v polotovarech zjištěné až během jejich zpracování jsou příčinou zbytečně vynaložené práce. Zjišťováním skrytých vad (defektů) polotovarů a výrobků se zabývá speciální oblast zkušebnictví, defektoskopie. Skryté vady se mohou vyskytovat na povrchu nebo uvnitř materiálu. Podle povahy vady, jejího rozsahu a umístění existuje více způsobů jejich zjišťování. Zde budou popsány pouze nejčastější z nich. MTDII
Defektoskopie Lze zjišťovat: Kontrola výroby důležitých vysoce namáhaných výrobku (tlakové nádoby, části turbín…) Vytřídění vadných kusů při sériové výrobě (automatizovaná kontrola) Pravidelná kontrola důležitých strojů a zařízení v průběhu jejich životnosti MTDII
Vizuální metody Přímé – vady zjišťujeme pečlivou prohlídkou zrakem, příp. lupou (3 až 6x zvětšení) Nepřímé – pomocí endoskopu, k prohlídce nepřístupných povrchu (vady na vnitrním povrchu trubek, velké nádrže, kotle, tlakové nádoby – usazeniny, koroze). Dokonalejší endoskopy spojeny s televizní kamerou – obraz lze pozorovat na obrazovce. MTDII
Povrchové vady Povrchovými vadami se rozumí takové, které vycházejí z povrchu materiálu. Nejčastěji to jsou pouhým okem neviditelné trhliny, vzniklé při tepelném zpracování nebo tváření. Kapilární zkoušky Magnetoinduktivní zkoušky MTDII
Kapilární zkoušky Založeny na vzlínavosti kapalin do úzkých štěrbin, kapilár. Indikační (zjišťovací) kapalina = barevné nebo fluorescenční PRINCIP: Menší součásti se do indikační kapaliny ponoří, větší se kapalinou potírají nebo polévají. Když kapalina pronikne do trhlin, odstraní se její přebytek z povrchu zkoušeného předmětu otřením nebo omytím. Povrch je také možno osušit, nejčastěji proudem horkého vzduchu. Po očistění a osušení povrchu začne indikační kapalina svou vzlínavostí opět vystupovat z trhlin na povrch předmětu. U větších vad jsou tato místa zřetelná pouhým okem. Indikační (zjišťovací) kapalinou může být například petrolej, případně obarvený anilinovou červení, nebo kapaliny obsahující fluoreskující příměsi. Při použití petroleje se pro snadnější zjištění menších vad na povrch zkoušeného předmětu nanese vhodný prášek (oxid hořečnatý, uhličitan vápenatý, uhličitan hořečnatý), který ze štěrbin nasává indikační kapalinu. Barevné skvrny na vrstvě prášku jsou dobře viditelné. Na povrch tvarově složitějších předmětů se místo suchého prášku rozprašuje jeho suspenze v rychle odpařitelné kapalině (acetonu). Při použití fluoreskující indikační kapaliny se otřené a osušené předměty prohlížejí ve tmě pod ultrafialovým světlem. V trhlinách kapalina zřetelně světélkuje. Kapilární zkoušky jsou použitelné pro všechny kovy, používají se však také u nekovových materiálů. MTDII
Magnetoinduktivní metody Pro vady povrchové nebo těsně podpovrchové Využívají změny magnetické vodivosti ve feromagnetických materiálech (vady silně zvyšují magn.odpor a dochází ke zhuštění siločar). K indikaci se používá suchého feromagn. prášku nebo detekční kapaliny, ve které je rozptýlen. Podmínkou je, aby celý předmět byl zmagnetován. siločáry povrch předmětu Homogenním matriálem procházejí siločáry přímo. V místě překážky se vychylují, zhušťují a překážku obcházejí. Na horním obrázku je naznačeno vychýlení siločar v místě trhliny vycházející z povrchu předmětu, na dolním obrázku jejich vychýlení v blízkosti dutiny nalézající se pod povrchem předmětu. V místech, kde siločáry vystoupí nad povrch předmětu, se vytvoří elementární magnetické póly. Jestliže je na povrch předmětu nanesen feromagnetický prášek (jemné železné piliny, práškový oxid železa), zachytí se na magnetických pólech. Předměty je také možno polévat suspenzí feromagnetického prášku v oleji. povrch předmětu siločáry dutina MTDII
Magnetoinduktivní metody Magnetizace se provádí různými způsoby. Vždy tak, aby tok siločar byl kolmý nebo šikmý vůči směru vady. Úzké trhliny ležící ve směru toku siločar jejich vychýlení nezpůsobí. Nejjednodušším způsobem aplikace této metody je vložení zkoušeného předmětu mezi póly permanentního magnetu. Oproti zde uvedenému schematickému náčrtu je ovšem nutno konstruovat magnet tak, aby bylo možno vzdálenost pólů uzpůsobovat rozměrům zkoušeného předmětu. Pro zjištění vad s různou orientací je nutno předmět vkládat v několika vhodných polohách. zkoušený předmět magnet MTDII
Magnetoinduktivní metody U předmětů rotačních tvarů se používá také kruhová (cirkulární, příčná) magnetizace, při které je zkoušený předmět zapojen přímo do elektrického obvodu jako jeho součást. Kruhové magnetické siločáry leží v rovinách kolmých na osu předmětu. V místě podélné trhliny nebo trhliny šikmo položené vůči ose předmětu kruhové siločáry vystoupí nad povrch předmětu. Trhliny ležící v rovinách kolmých na osu předmětu není možno touto metodou zjistit. transformátor zkoušený předmět trhlina siločáry http://www.def-liberec.cz/nedestruktivni-zkouseni/magneticka-kontrola-mt MTDII
Zjišťování vnitřních vad Nejčastějšími způsoby zjišťování vnitřních vad materiálu je prozařování elektromagnetickým vlněním s velmi krátkými vlnovými délkami a průchod ultrazvukového vlnění. Zkoušky prozařováním Zkoušky ultrazvukem MTDII
Zkoušky prozařováním Založeno na rozdílné průchodnosti elektromagnetického záření s velmi malou vlnovou délkou (10-9 až 10-12 m) = Rentgnenova záření a záření gama, materiály různé hustoty. ZDROJE ZÁŘENÍ: rentgenova záření je zvláštní elektronka (rentgenka) nebo kruhový urychlovač – betatron. Záření gama jsou přirozené radioaktivní prvky (radium, radon) nebo umělé radioaktivní zářiče, radioizotopy (kobalt Co 60, cesium Cs 137, iridium Ir 192, thulium Tm 170). Intenzita záření se při průchodu materiálem zeslabuje v závislosti na hustotě materiálu - materiály s vyšší hustotou záření zeslabují více než materiály s hustotou menší. Intenzita záření, které prošlo zkoušeným materiálem, se zjišťuje vizuálně na fluorescenčním štítu nebo fotochemicky, to jest působením záření na citlivou vrstvu fotografického filmu (existují i složitější způsoby zjišťování intenzity procházejícího záření). MTDII
Zkoušky prozařováním Princip zkoušky s použitím fotografického záznamu (radiogramu): Jestliže hustota látky tvořící vadu materiálu je menší než hustota vlastního zkoušeného materiálu, budou paprsky procházející vadou méně zeslabeny než paprsky procházející jejím okolím. To se projeví tmavším obrazem vady na citlivé vrstvě filmu. Rozdíl ztmavnutí filmu pod vadou a mimo ni ukazuje na rozměr vady ve směru průchodu záření. zdroj záření zkoušený předmět vada film kazeta Čím menší je vlnová délka záření, tím snáze prochází záření materiálem. Proto je možno u ocelových předmětů použít rentgenova záření do tloušťky asi 75 mm, záření gama do tloušťky asi 200 mm a velmi krátkovlnného záření betatronu do tloušťky asi 350 mm. Kontrolovatelné tloušťky jiných materiálů je možno přibližně určit vynásobením hodnot uvedených pro ocel poměrem hustoty oceli a daného materiálu. Z principu zkoušky je zřejmé, že prozařováním není možno zjišťovat vady, jejichž rozměr ve směru průchodu záření je malý – rozdíl ztmavnutí citlivé vrstvy filmu pod vadou a mimo ni je nezjistitelný. Vada bývá rozeznatelná, jestliže její rozměr ve směru průchodu záření činí alespoň 3 %, v nejpříznivějších případech 1 %, celkové tloušťky zkoušeného předmětu. Proto zkoušky prozařováním nejsou použitelné například u materiálů tvářených, u nichž byly větší dutiny vzniklé při lití následným válcováním nebo kováním stlačeny, aniž došlo v důsledku existence separujících zoxidovaných povlaků k dokonalému spojení jejich stěn. Přístroje pracující s rentgenovým zářením jsou stabilní, přístroje pracující se zářením gama jsou poměrně malé a přenosné. Při použití popisovaných metod je nutno dodržovat velmi přísné bezpečnostní předpisy. Pozn. prozařováním není možno zjišťovat vady, jejichž rozměr ve směru průchodu záření je malý – rozdíl ztmavnutí citlivé vrstvy filmu pod vadou a mimo ni je nezjistitelný. Vada bývá rozeznatelná, jestliže její rozměr ve směru průchodu záření činí alespoň 3 %, v nejpříznivějších případech 1 %, celkové tloušťky zkoušeného předmětu. MTDII
Zkoušky ultrazvukem Ultrazvuk = akustické vlnění s frekvencí vyšší než je kmitočet slyšitelný lidským uchem, to jest nad 20 kHz. V defektoskopii se však užívá ultrazvukového vlnění o kmitočtu od 1 do 15 MHz. Zkouška je založena na skutečnosti, že ultrazvukové vlnění se při dopadu na rozhraní dvou látek zčásti odráží, zčásti lomí a zčásti rozhraním prochází. Poměr těchto složek závisí na druhu stýkajících se látek. Čím více se liší jejich hustoty, tím větší část vlnění se odráží. MTDII
Zkoušky ultrazvukem Zdrojem ultrazvukového vlnění je zpravidla destička zhotovená z piezoelektrického krystalu. Při zapojení do elektrického obvodu se destička rozkmitá jeho kmitočtem a předává (vysílá) vlnění do okolního prostředí. Naopak při dopadu ultrazvukových vln na piezoelektrickou destičku vzniká na jejích stěnách střídavé napětí. Proto mohou destičky sloužit jako vysílač i jako přijímač vlnění. METODY: Odrazová Průchodová MTDII
Zkoušky ultrazvukem Princip odrazové metody prováděné přístrojem se dvěma sondami. Generátor kmitání vyšle krátký impuls do vysílače. Současně je impuls vyslán přes zesilovač do osciloskopu, na jehož stínítku se objeví výkmit – tak zvané základní echo. Z vysílače vystoupí svazek ultrazvukového vlnění do vnějšího prostředí. Není-li v cestě vlnění žádná vada, projdou vlny celou tloušťkou materiálu, od rozhraní kovu a vzduchu na spodní straně předmětu se odrazí a projdou kovem do přijímací sondy. Dopadem vlnění na piezoelektrickou destičku vznikne střídavý proud, který po zesílení vytvoří na stínítku výkmit nazývaný koncové echo. základní echo generátor zesilovač přijímač vysílač vada zkoušený předmět impuls ze sítě 50 Hz koncové echo poruchové echo oscilograf Je-li v cestě vlnění vada (dutina, částice strusky, trhlina a pod.), dojde na jejím povrchu k odrazu části vlnového svazku k přijímači. Tím vznikne na stínítku osciloskopu mezi základním echem a koncovým echem další výkmit, tak zvané poruchové echo. Podle vzdálenosti poruchového echa od echa základního je možno posoudit hloubku, ve které se vada nachází. MTDII
Zkoušky ultrazvukem sonda vada zkoušený předmět od generátoru k zesilovači Obdobou popsaného způsobu je odrazová metoda s užitím jedné sondy, která střídavě funguje jako vysílač a jako přijímač. Při průchodové metodě jsou obě sondy umístěny na opačných stranách zkoušeného předmětu. Intenzita ultrazvukového toku, který prochází materiálem, může být na straně přijímače měřena ručičkovým indikátorem vysílač přijímač MTDII
Zkoušky ultrazvukem Z principu zkoušky ultrazvukem je zřejmé, že jsou takto zjistitelné všechny vady, které přetínají svazek ultrazvukových vln. Protože ultrazvuk je materiálem jen málo tlumen, je jím možno kontrolovat i předměty o velké tloušťce (u oceli asi do 5 m). Odrazovou metodu je možno použít i tam, kde je přístupný pouze jeden povrch zkoušeného předmětu. Zařízení je poměrně malé, a proto je přenosné. Zkouška není vhodná pro hrubozrné heterogenní struktury kovů. Například v odlitcích ze šedé litiny s hrubšími částicemi grafitu pronikne ultrazvuk jen do hloubky několika desítek milimetrů. Nevýhodou této zkoušky je skutečnost, že neexistuje záznam jejího výsledku, jakým je u zkoušek prozařováním radiogram. MTDII
Mikroskopie OPTICKÁ MIKROSKOPIE: slouží zejména k získání poznatků o druhu a povaze mikrostruktury, tzn. o velikosti a tvaru zrn, druhu fází a strukturních součástí, způsobu jejich vyloučení... ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE: umožňuje také zkoumání submikrostruktury, tzn. počáteční stádium vzniku fází, hustota a rozložení poruch krystalové mřížky... Obě metody se využívají rovněž k posouzení vzhledu lomových ploch vzorků nebo výrobků (fraktografie), vad materiálu. MTDII
Optická mikroskopie 1590-1610 otec a syn Janssenové, první mikroskop 1847 průmyslová výroba mikroskopů firmou Zeiss 1911 C. Reichert, fluorescenční mikroskop s UV excit. 1932 F. Zernick, fázový kontrast 1955 Nomarski, diferenciální interferenční kontrast 1968 rastrovací tandemový konfokální mikroskop 1978 laserový konfokální rastrovací mikroskop Hookův mikroskop cca 1678 MTDII
Optická mikroskopie METALOGRAFICKÝ MIKROSKOP: je založen na pozorování v odraženém světle: světlo vysílané zdrojem (1) se odráží od planparalelního skla, prochází objektivem a dopadá na vzorek. Plošky kolmé k optické ose, na niž se světelné paprsky odrážejí zpět do objektivu, jeví se světlé, prohlubně a rýhy, které odrážejí světlo mimo objektiv, jsou tmavé → pozorování ve světlém poli (používá se nejčastěji) můžeme pozorovat pouze povrch vzorků užitečné zvětšení až 1 500 : 1 (dalším zvětšováním se ve struktuře neobjeví nové detaily = prázdné zvětšení) MTDII
Okuláry Objektivy Stolek Hlavní vypínač Kondenzor Regulace osvětlení Křížový posun Makro a mikrošroub Zdroj světla
Optická mikroskopie Hlavní části: zdroj světla, objektiv, okulár Požadavky na zdroj: měl by být bodový, monochromaticky, dostatečně intenzivní. Žárovky – nízkovoltové – používají se pro vizuální pozorování Výbojka – větší intenzita záření než žárovka - používají se pro fotografování Obloukové lampy Objektiv: čočkový objektiv - je tvořen soustavou čoček zobrazování je založeno na lomu světelného paprsku reflexní objektiv (zrcadlový) - zobrazování je založeno na jeho odrazu Okulár: je soustava optických čoček, kterými pozorujeme obraz vytvořený objektivem. Druhý stupeň zvětšení metalografického mikroskopu, zvětšuje obraz vytvořený objektivem až na hodnotu rozlišovací schopnosti lidského oka Celkové zvětšení: Z = Zobj · Zokul MTDII
Elektronová mikroskopie Při interakci elektronového paprsku s materiálem dochází k mnoha fyzikálním jevům – odrazu, rozptylu, absorpci, transmisi. MTDII
Elektronová mikroskopie TEM – Transmisní elektronová mikroskopie Svazek elektronů urychlený v potenciálovém poli mezi katodou a anodou prochází kondenzorem, pozorovaným vzorkem, objektivem a projektorem, konečný obraz se pozoruje na fluorescenčním stínítku nebo se zachytí na fotografickou desku. REM - Řádkovací (rastrovací) elektronová mikroskopie Svazek primárních elektronů prochází elektronovou optickou soustavou a cívkami řádkovacího systému je vychylován tak, že řádek po řádku přejíždí vymezenou plochou povrchu vzorku. V každém bodě povrchu dochází k zmíněným fyzikálním jevům. Z detektoru se zachycený signál přenáší na pozorovací obrazovku. MTDII
Elektronová mikroskopie zdroj elektronů (elektronové dělo) elektromagnetické čočky preparátový stolek (držák, goniometr) vakuový systém (vychylovací cívky u REM) MTDII
Tvorba obrazu v REM OBRAZ VZNIKÁ BOD PO BODU, RASTROVÁNÍM POVRCHU
Elektronová mikroskopie Na obr. příklad TiO2 vrstev dopovaných nanokrystalickým Ag. Transmisní elektronová mikroskopie Rastrovací (skenovací) elektronová mikroskopie
Použitá literatura Defektoskopie – elektronová mikroskopie – Podklady Ing. J. Hladký elektronová mikroskopie – [1] http://www.isibrno.cz/lem/jeol.html [2]http://apfyz.upol.cz/ucebnice/down/elmikro.pdf optická mikroskopie – [3]http://web.natur.cuni.cz/~parazit/parpages/mikroskopickatechnika/svetelnamikroskopie.htm
Děkuji za pozornost MTDII