متالوگرافی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

متالوگرافی (به انگلیسی: Metallugraphy) به علم و هنر آماده‌سازی نمونه‌های فلزی و بررسی ریزساختار میکروسکوپی آنها گفته می‌شود. در بسیاری از مواد ،دانه های تشکیل دهنده آنها دارای ابعاد میکروسکوپی هستند و قطری در حدود میکرون دارند و اجزای آنها باید با استفاده از میکروسکوپ ها دیده و بررسی شوند .اما مشکل فقط بزرگنمایی نیست.بلکه سطح ریزساختار نیز باید آماده شود .از آنجایی که در بررسی های میکروسکوپی فقط سطح اجسام مورد بررسی قرار میگیرد ، باید سطحی بسیار دقیق جهت دستیابی به اجزاء مهم ریز ساختار فراهم شود .مجموعه ی فعالیت هایی که منجر به فراهم آمدن چنین سطحی میشود و بررسی میکروسکوپی ریز ساختار را متالوگرافی مینامیم که زیر مجموعه مهندسی و علم مواد قرار میگیرد.سطح نمونه باید در ابتدا ساییده وپولیش شده تا صاف و آینه ای شود که اینکار با استفاده از پودر های مخصوصی امکان پذیر است.سپس ریز ساختار را میتوان با عملیات اچ کردن که از یک ماده شیمیایی مناسب استفاده میشود بدست آورد. [۱]

یک نمونه ریزساختار برنز که پس انجام مراحل متالوگرافی زیر میکروسکوپ مشاهده میشود.

مراحل اماده سازی نمونه[ویرایش]

بعد از انتخاب نمونه مناسب برای کار مراحل زیر متخصصان این امر مراحلی را برای رسیدن به سطحی مناسب ط می کنند که بطور کلی شامل مواردی مثل مقطع ردن،مانت کردن،سمباده کشیدن،پولیش کردن و اچ میشود. در پایان قطعه آماده شده برای آنالیز میکروسکوپی فرستاده میشود.

مقطع زدن[ویرایش]

درست است که در مراحل آماده سازی ،گاهی اوقات نمونه در اندازه مناسبی قرار دارد ولی اکثر مواقع به مقطع زدن نیاز خواهد داشت.پس از برش معمولا در نمونه آسیب هایی بوجود می آید ولی این آسیب ها میتوانند به حداقل برسند . که این به عواملی مثل نوع ماده ای که نمونه از ان ساخته شده و تکنیک های بکار رفته در برش بستگی دارد. در اين ميان به مواردي چون فشار ، دما ، سرعت بريدن ، توسعه ترک ، توليد گرما ، دقت عمل و غيره ، که هر يک به نوعي مي توانند بر خواص قطعه تاثير بگذارند نيز باید توجه شود اگر نمونه کوچک باشد برش با تجهیزاتی که در آزمایشگاه های متالوگرافی وجود دارد مثل ماشین های برش ،انواع اره های نواری ومویی واره الماسی و دیگر دستگاه ها انجام میشود.

روش های مکانیکی مقطع زدن

  1. شکستن:مشکل برش با اره ها یعنی تولید گرما و خراب شدن سطح برش را ندارد و بعد از شکستن باید سطح را صیقل داد و روی آن پرداخت کرد.این فرایند برای برخی فولاد های ترد ،سرامیک ها و کاربید ها بکار میرود.
  2. قیچی کردن:معمولا ورقه های فولاد کم کربن و دیگر مواد نازک و نرم با این روش قابل برش هستند.با توجه به اینکه مقداری گرما تولید میشود،قیچی کردن تغییر قابل ملاحظه ای در سطح ایجاد میکند و برای موادی که به تغییر شکل های مکانیکی حساسند توصیه نمی شود .اما در کل این نوع برش ،ساده ،سریع و پربازده است.
  3. اره کردن:برای موادی که نرمی آنها از 350hbبیشتر است استفاده میشود.انواع اره ها میتوان به اره های مویی یا سیمی،اهن بر،الماسی و نواری اشاره کرد.
  4. برش با دستگاه تراش:رایج ترین روش مقطع زدن است و محبوبیتش بخاطر کیفیت سطح تولید شده و گستره سختی نمونه هایی است که میتواند برش دهد..در این دستگاه دیسک گردان نازک ،ساخته شده از یک ساینده مناسب استفاده میشود.برای خنثی کردن اثر گرمای تولید شده بر سطح مقطع از آب و صابون و دیگر روان ساز ها استفاده میشود .در این روش حتی کل فرایند برش را زیر روغن مخصوص انجام میدهند خوبی این کار این است که روغن به هیچ وجه در شکاف ایجاد شده نمی سوزد و اثر مخرب بر سطح ندارد .

به غیر از برش های مکانیکی موارد زیر نیز انجام میشوند.

  • برش با قوس الکتریک:این روش اغلب برايآلياژهاي بسيار سخت استفاده مي شود . سطح بريده شده با اين روش بسيار صاف بوده و عمليات بعدي آماده سازي نمونه را تسهيل مي نماید.

از روش های دیگر میتوان به برش با میکرو فرز و برش الکتروشیمیایی که همزمان از اسید ها و اره ها استفاده میکند اشاره کرد. [۲]

مانتینگ[ویرایش]

دستگاه مانت گرم

اگر نمونه ما کوچک باشد ،سالم نگه داشتن آن در طول عملیات برش ،تراش و صیقل و ... بسیار سخت خواهد بود.بنابراین این قطعات کوچک در داخل یک پلی مر یا رزین خاص مونت میشوند تا برای اقدامات بعدی قابل حمل شوند.همچنین مناسب ترین رزین ها برای کار ،رزین های اپوکسی و پلی استر هستند که بطور ویژه برای کار های متالوگرافیک ساخته شده اند.البته بغیر از مانت ،روش دیگریکه استفاده میشود نگه داری و ثابت کردن نمونه بین چند گیره و حمل نمونه بوسیله آنها ست.

انواع مانتینگ

  1. مانت سرد:رزین هایی که استفاده میشوند ابندا مایع هستند و پس از مدت اندکی سخت شده ،به جامد تبدیل میگردند.این کار معمولا با دستگاه هایی که هم زمان چندنمونه را مانت میکند انجام میشود بصورتی که ابتدا قطعه در داخل قالب ،روی صفحه صافی گذاشته میشود و از بالا رزین روی آن ریخته میشود.باکمی صبر و تحمل ،پس از چند ساعت نمونه ما آماده است.
مانت سرد،در این دستگاه چندنمونه با هم مانت میشوند.
  1. مانت گرم:از دستگاهی استفاده میشود که هم زمان میتواند فشار و گرما تولید کند.نمونه به همراه پودری پلیمری داخل دستگاه قرار میگیرد و با ایجاد فشار و افزایش دما پودر مایع شده دور قطعه را میگیرد و با فشار ایجاد شده محکم میشود.تماس خوب و دقیق نمونه و پلی مر و ایجاد قالبی صاف و بدون تخلخل از ویژگی های مانت گرم است.[۳]

پرداخت اولیه با سمباده[ویرایش]

کاغذ های سمباده دایره ای از جنس کلسیم کاربید روی سطح یک چرخ دوار افقی و تخت چسبانیده می شود و سپس نمونه روی آن گذاشته می شود .البته باید نمونه را با فشاری کنترل شده روی سطح قرار داد در این مدت از آب بعنوان روان ساز استفاده میشود تا ذرات جداشده از سطح نمونه را با خود حمل کند و صحنه را تمییز نگه دارد و گرما را کاهش دهد .در هر یک از مراحل سایش ،نمونه بشکلی حرکت داده میشود که خراشها فقط در یک جهت ایجاد شود و در سایش بعدی ،جهت آن عوض میشود.

پرداخت نهایی یا نرم[ویرایش]

یک نمونه از سمباده های دوار که در دستگاه پولیش و سمباده استفاده مشود.

مرحله ی بسیار حساسی است .در حال حاضر ماده ساینده مورد استفاده برای عملیات پرداخت ،پودر الماس است .پودری که در خمیری قابل حل در روغن نگه داری و حمل و نقل میشود ،در هنگام استفاده مقدار کمی از این خمیر ها برروی سطح یک چرخ دوار قرار میگیرد که روانساز آن روغنی مخصوص است.سپس نمونه روی محلی خاص و ثابت روی چرخ با فشار زیاد فشرده میشود و هم زمان مخالف جهت چرخش چرخ میگردد. ذرات الماس خاصیت برشی شدیدی دارند و در جدا کردن لایه ی عمیق تغییر شکل یافته ناشی از سایش های اولیه بسیار مؤثر اند.سطح ما بعد از عملیات به شدت صیقلی میشود و اگر با میکروسکوپ نوری آن را بنگریم حالت آینه ای دارند .

پرداخت الکتریکی یا الکترو پولیش، نوعی خاص از پرداخت نهایی در فلزاتی نظیر فولاد زد زنگ،تیتانیم و زیر کونیم که از بین بردن لایه های سطحی اعوجاج یافته بسیار مشکل است پولیش مکانیکی مناسب نیست بنابراین اغلب این مواد توسط روش پرداخت الکتریکی در آخرین مرحله پرداخت می شوند در این حالت نمونه به عنوان آند و یک ماده غیر قابل حل به عنوان کاتد در یک حمام الکترولیتی به صورت مناسب قرار می گیرند چنانچه از دانسیته جریان مناسب استفاده شود می توان سطح نمونه را به صورتی حل کرد که یک سطح پرداخت مناسب تولید شود.این روش معمولا زمانی بکار میرود که نمونه توان پرداخت بیشتر ویا اچ کردن را ندارد و یا اینکه ما قصد اچ کردن نداریم و میخواهیم قطعه را زود آزمایش کنیم.[۲]

تمییز کاری[ویرایش]

نمونه ما باید بعد از هر مرحله تمییز شود یعنی باید تمامی باقی مانده های قسمت های پرداخت پاکسازی شود تا از کارایی مراحل بعد نکاهد..این کار با قرار دادن قطعه زیر آب در حال عبور و سپس تمییز کردن با پمبه یا استفاده از تمیز کاری فراصوت صورت میگیرد. تمیز کاری با استفاده از فراصوت بسیار مؤثر است زیرا حتی باقی مانده های پرداخت در شکاف ها و ترک های ریز را هم تمیز میکند.بعد از تمیز کاری لازم است سطح را با موادی مثل الکل ،که نقطه جوش پایینی دارند شست و سپس سریع خشک کرد. ماندن مايعات بر روي نمونه باعث ايجاد لک مي شود.

حکاکی شیمیایی یا اچ کردن[ویرایش]

تصویری از آلمینیوم اچ شده

بعد از اتمام مراحل چند گانه پرداخت سطح نمونه زیر میکروسکوپ امتحان میشود و باید ویژگی هایی مثل گودال ها ،سوراخها ،ترکها و نابجایی ها و ... کاملا قابل تمایز باشند .ولی در بسیاری مواقع چنین نیست.یک نمونه پرداخت شده ریز ساختار خود را نشان نمی دهد زیرا نورتابش یافته به سطح بطور مستقیم بازتاب میشود و تفاوت های کوچک در این بازتاب بوسیله چشم قابل تشخیص نیستند.برخی از ابزار های تولید تصویر باید بکار گرفته شود که همان اچ کردن یا حکاکی شیمیایی میباشد.

هرچنداچ کردن با توجه به کاربرد هایش در دیگر زمینه ها مثل هنر انواع مختلفی مثل نوری ،شیمیایی،فیزیکی دارد.اما در این زمینه از شیمیایی ان استفاده به نسبت وسیع تری میشود. معمولا از یک اسید یا باز قلیایی ضعیف استفاده میشود و نمونه را داخل آن فرومیبرند .این کار باعث میشود سطح نمونه در اسید حل شود .این انحلال در مرز دانه ها زود تر اتفاق می افتد و بالا بلندی ها و مرز ها بصورت پله هایی کم عمق در سطح ظاهر میشوند. [۴]

علامت گذاری روی قطعه[ویرایش]

نمونه ها در صورتي قابل استفاده دوباره مي باشند که علامت گذارده شده بر روي آنها در تمام مدت آماده سازي و مطالعه ميکروسکوپي به وضوح قابل رويت بوده و هويت آنها گم نشود . علامت گذاري بر روي نمونه مي بايست بر روي سطحي انجام شود که مورد متالوگرافي قرار نميگيرد . در مورد نمونه هايي که مانت مي شوند ، مي توان روي ماده مانت علامت گذاري نمود . در هنگام استفاده از مانت هاي شفاف ( شيشه اي ) نيز مشخصات نمونه روي يک تکه کاغذ نوشته شده و طوري همراه نمونه قالب گيري مي شود که نوشته قابل خواندن باشد.

نگه داری نمونه[ویرایش]

پس از پرداخت و اچ کردن نمونه ها ، لازم است که آنها احيانا براي مدت زيادي نگهداري و انبار شوند. در اين صورت مي بايست در مقابل خوردگي اتمسفري محافظت گردند. دسيکاتورها و دسيکاتورهاي کابينتي وسايل بسيار معمولي براي نگهداري نمونه ها هستند. اگر چه به کارگيري پوشش هاي پلاستيکي و يا نوارهاي سلوفاني نيز مي توانند تا مدتي نمونه ها را حفظ کنند.

آنالیز میکروسکوپی[ویرایش]

تکنیک های میکروسکوپی بسیاری در آنالیز متالوگرافی استفاده میشود.نمونه آماده شده باید با چشم غیر مسلح بعد از عملیات اچ واکاوی شود تا سطحی مناسب که تاثیر عملیات اچ روی آن بهتر مشخص است برای قرار گرفتن زیر میکروسکوپ انتخاب شود .بررسی با میکروسکوپ نوری همیشه قبل از واکاوی های پیشرفته با میکروسکوپ الکترونی بکار میرود ،زیرا راه اندازی و بکار بردن میکروسکوپ الکترونی زمان بر است و قطعات آن نیز گران میباشد و حتی کار با آن نیاز به تکنسین دارد!

تصویر گرفته شده با نور قطبیده

ابتدا به توضیح روش های دیدن ریزساختار با استفاده از میکروسکوپ نوری میپردازیم.

  • نورپردازی به صورت مستقیم

در این بررسی چون نور بصورت مستقیم بازتابیده میشود عملا یک صفحه تقریبا سفید مشاهده خواهد شد و جزئیات بخوبی مشخص نیستند.برای اصلاح تصویر از یک منشور استفاده میکنند تا نور را علاوه بر مسیر مستقیم از اطراف و بصورت مایل هم به جسم بتابانند.

حالت زمینه سیاه(dark-field)
  • استفاده از نور قطبی شده در بازتابش

با استفاده از قطعاتی در داخل میکروسکوپ مثل فیلتر های قطبیدگی و آنالیز نور بازتابیده شده از سطح قطعه را که معمولا در جهات مختلف پراکنده است .در یک مسیر یا جهات خاص عبور میدهند و تصویری ایجاد میکنند.این روش برای ساختار های غیر مکعبی، مثل مواد با ساختار های هگزاگونال مناسب است.

تصویر گرفته شده بصورت معمولی
  • نورپردازی مایل

با استفاده از منشوری در میکروسکوپ ،نور علاوه برتابش از بالا از کناره ها هم بر سطح جسم میتابد.و با عث ایجاد سایه روشن هایی میشود و تصویری با وضوح بالا تولید میکندو به آن دیدی سه بعدی میدهد.این روش که DIC نام دارد اولین بار توسط شخصی بنام نامرسکی(Nomarski) ابداع گشت.

  • نورپردازی با زمینه سیاه(نبودن نور مستقیم)

دراین روش نور در میکروسکوپ مستقیم به قطعه نمیتابد و فقط از کناره ها بطور مایل می تابد که باعث میشود تصویری با پس زمینه سیاه و خطوطی سفید که همان اجزاء ریزساختار هستند مشاهده شود.[۵]

میکروسکوپ های الکترونی و عبوری(SEM)و(TEM)[ویرایش]

برای بررسی های دقیق تر و حساس تر از میکروسکوپ های الکترونی(SEM) و بعد از آن از میکروسکوپ های انتقالی (TEM)استفاده میشود .در اینجا فقط به برخی از ویژگی های این میکروسکوپ ها اشاره میشود.

  • میکروسکوپ الکترونی
میکروسکوپ الکترونی در یک نگاه

پرتو هایی از الکترون برای ایجاد تصویر از نمونه بکار میبرد. در مقایسه با میکروسکوپ های نوری وضوح و بزرگنمایی(200000X) بیشتری دارد. با استفاده از لنز های مغناطیسی الکترون ها متمرکز میشوند و تصویر شکل میگیرد. سطح نمونه باید رسانا باشد.

تصویر گرفته شده بوسیله میکروسکوپ الکترونیSEM
  • ویژگی های میکروسکوپ الکترونی عبوری

این میکروسکوپ هم وضوح بیشتری دارد (0.1 nm) و هم دارای بزرگنمایی حدود یک میلیون بار میباشد.الکترون هایی بوسیله رشته تنگستن تولید شده و از سطح عبور میکنند با توجه به ساختار اتمی ماده جهت میگیرند و نهایتا روی یک صفحه فلوئوروسنت بزرگنمایی میشوند .ویژگی مهم این میکروسکوپ ها همان عبور از سطح است که باعث میشود ریزساختار خیلی واضح دیده شود. چون آماده سازی نمونه برای این بررسی ها بسیار سخت است و گران این بررسی معمولا در اخرین مراحل قرار میگیرد. [۶]

متالوگرافی کمی[ویرایش]

استرئولوژی یا متالوگرافی کمی مجموعه ای از روش ها برای توصیف کردن یک ریزساختار سه بعدی ،از روی تصویر دو بعدی آن است.این روش ها که مبتنی بر احتمالات هندسی و تکنیک های نمونه برداری آماری مخصوص است;ارتباطی را بین کمیت های اندازه گیری شده روی مقطع و ویژگی های ویژه ریزساختار برقرار می سازد.برخی از ساده ترین اندازه گیری ها شامل محاسبه حجم ترک ها ،اندازه دانه ها،حجم فضای موجود بین ذرات و ... در فلزات و آلیاژ های آن ها است.[۷]

امروزه ارگان ها یی مثل کمیته بین المللی ASTM در حوزه متالوگرافی ،روش های را ابداع کرده اند که چگونگی توصیف کمی ریزساختار را شرح می دهند . برای مثال، برای کسر حجمی از استاندارد ASTM E562 و برای اندازه های مربوط به اندازه دانه ها ازASTM E112استفاده میشود.[۵]

منبع[ویرایش]

  1. William D. Callister, David G. Rethwisch.Materials Science and Engineering: An Introduction, 8th Edition
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ George F. Vander Voort.Metallography, Principles and Practice.ASM International, 1984
  3. Metallographic and Materialographic Specimen Preparation, Light Microscopy, Image Analysis, and Hardness Testing
  4. G. Petzow ASM InternationalMetallographic Etching, 2nd Edition: Techniques for Metallography
  5. ۵٫۰ ۵٫۱ https://en.wikipedia.org/wiki/Metallography
  6. Ray Egerton.Physical Principles of Electron Microscopy: An Introduction to TEM, SEM, and AEM
  7. James L. McCall, James H. Steele.Practical Applications of Quantitative Metallography.ASTM International, 1984