تعریف متالوگرافی و کاربرد آن در صنایع

متالوگرافی عبارت است از بررسی و مطالعه ساختمان سطح مقطع فلزات و ویژگی های ساختاری آن ها که به دو روش ماکروسکوپی و میکروسکوپی صورت می ­گیرد.

مطالعه ساختمان ماکروسکوپی و میکروسکوپی را به ترتیب ماکروگرافی و میکروگرافی می ­نامند.

در ماکروگرافی ساختار قطعه با چشم غیر مسلح یا بزرگنمایی ­های کم میکروسکوپ ها قابل رویت می باشد.

ماکروگرافی را می­توان مستقیماً بر سطح قطعه کار یا بر مقطع شکست آن و یا اغلب بر نمونه­ هایی که از شمش ­های بزرگ یا قطعه کارها گرفته می ­شود، انجام داد.

برخلاف ماکروگرافی، در میکروگرافی ریز ساختار داخلی فلزات در زیر یک میکروسکوپ مطالعه می شود.

مطالعه ساختار می تواند طراحان و مهندسان را در شناسایی روش تولید، نحوه انجماد و سیکل عملیات حرارتی قطعه و پیش بینی استحکام، چقرمگی، سختی، مقاومت به خوردگی و سایش و همچنین جلوگیری از شکست و خوردگی های زود هنگام در صنایع به ویژه در مواردی که به دلیل محدودیت ابعاد و تعداد یا به دلیل عدم امکان نمونه برداری جهت تخریب نمونه، انجام آزمون های پژوهشی مکانیکی وجود نداشته باشد، یاری نماید.

تاریخچه متالوگرافی از کشف محققی به نام "سوربی" مبنی بر امکان پولیش و اچ کردن سطوح مختلف فلزی و مشاهده جزئیات ساختمانی آن ­ها با چشم مسلح یا غیر مسلح آغاز می ­شود.

پس از آن، متالوگرافی به سرعت جای خود را به عنوان یکی از پایه ­های اساسی متالورژی و علم مواد باز نموده و تا به امروز که با پیدایش میکروسکوپ ­های الکترونی پیشرفته بشر قادر به تجزیه و تحلیل دقیق اجزاء تشکیل دهنده فازهای مختلف در شبکه ساختمانی مواد گوناگون می ­باشد، این جایگاه را به خوبی حفظ کرده است.

هدف از متالوگرافی، مشاهده و بررسی ساختار داخلی فلزات از نظر فازهای تشکیل دهنده، دانه بندی، اندازه دانه ها، مرزدانه ها، شکل، توزیع و درصد فازها، حضور ناخالصی ها و همچنین بررسی و مطالعه تأثیر عملیات حرارتی، کار مکانیکی و فرایندهای تولیدی بر ساختار و خواص آن است.

موفقیت در مطالعات میکروسکوپی و تحلیل ساختاری بیشتر مرهون آماده سازی مناسب نمونه ها است. نمونه آماده شده به روش صحیح باید دارای یک سطح صاف و آینه ای عاری از خراش، شکاف، زنگ، براده و سایر آلودگی های سطحی ناشی از مراحل آماده سازی نمونه باشد.

پس از آماده سازی نمونه، سطح آن آماده ی بررسی ساختاری در زیر میکروسکوپ است.

نمونه برداری از قطعه:
انتخاب نمونه از قطعه مورد مطالعه بسیار مهم است. نمونه باید از قسمتی برداشته شود که بتواند از نظر ساختاری معرف کل قطعه باشد.

معمولاً نمونه به شکل مکعب و به ابعاد 10 میلی متر و یا پولکی به قطر و ارتفاع 15 میلی متر از قطعه بریده می شود.

مانت کردن:
به دلیل اینکه نمونه ها کوچک و یا گاهی به شکل های نامنظم هستند، برای آسان شدن حمل و انجام عملیات های آماده سازی (مثل سنباده و پولیش) بر روی آن ها و همچنین حفاظت و نگهداری مناسب از نمونه ها به خصوص مواد شکننده، نمونه ها را در داخل رزین های پلاستیکی قرار داده و قالب گیری می کنند که به آن مانت کردن می گویند.

برای مانت کردن، نمونه فلزی به نحوی توسط رزین های پلاستیکی قالب گیری می شوند که سطح نمونه در دسترس کاربر برای انجام عملیات آماده سازی و متالوگرافی باشد.

مانت کردن به دو روش مانت سرد و مانت گرم انجام می گیرد:
مانت گرم:
در مانت گرم از یک دستگاه پرسی استفاده می شود که با تامین دما و فشار، نمونه را در داخل رزین پلاستیک قالب گیری می کند.

برای مانت گرم از رزین های ترموست و ترموپلاستیک مثل رزین های فنولیک، اپوکسی و آکریلیک به صورت پودر یا گرانوله استفاده می شود. در دستگاه پرس مانتینگ گرم، با توجه به نوع رزین، از فشار و دمایی در حدود 40-20 مگاپاسکال و 200-150 درجه سانتیگراد برای قالب گیری و پرس استفاده می شود.

مانت سرد:
در مانت سرد از رزین های مایع اپوکسی یا پلی استر و هاردنر مایع آن ها و یا رزین مایع آکریلیک و هاردنر پودری آن برای قالب گیری و مانت کردن استفاده می شود.

مانت سرد معمولاً به این صورت انجام می شود که نمونه را روی یک سطح صاف در داخل یک محفظه کوچک (مثل قاب پلاستیک نگاتیو دوربین های عکاسی آنالوگ) قرار می دهند و سپس رزین و هاردنر را داخل محفظه و بر روی نمونه می ریزند.

واکنش رزین و هاردنر، منجر به پخت و سخت شدن قالب در اطراف نمونه می شود. ممکن است مانت سرد توسط دستگاه مخصوصی هم انجام بگیرد.

سنگ زنی خشن و نرم:
پس از مانت کردن، ممکن است سطح نمونه نیاز به سنگ زنی خشن و نرم داشته باشد تا خطوط عمیق برش و اره کاری و ناصافی های سطحی خشن که امکان حذف آن ها با سنباده زنی سخت و یا غیر ممکن است از بین بروند.

سنباده زنی:
بعد از آن­ که نمونه سنگ­ زده شد و خطوط عمیق و ناهمواری­ های اولیه آن برطرف گردید، سنباده زنی آن به منظور صاف و آینه ای کردن سطح انجام می گیرد.

برای این منظور سنباده زنی را معمولاً از سنباده های پوستاب (سنباده های مقاوم در برابر آب با ذرات ساینده سیلیسیمی) درجه زبر با شماره های پایین مثل 80 یا 100 شروع می کنند و به تدریج با کاهش درجه زبری سنباده از سنباده های شماره 120، 180، 220، 360، 400، 600، 800، 1200 و شماره های بالاتر استفاده می کنند تا یک سطح آینه ای به نمونه بدهند.

عملیات سنباده زنی معمولاً بر روی یک ابزار شیب دار مجهز به سیستم جریان آب انجام می گیرد تا براده ها هنگام با سنباده زنی از سطح نمونه شسته شوند. جهت سنباده زنی نمونه را با تغییر شماره ورق سنباده به اندازه 90 درجه تغییر می دهند تا خطوط سنباده زنی هر مرحله با سنباده مرحله بعدی حذف شود.

پولیش و صیقل دادن نمونه ­ها:
پولیش کردن برای از بین بردن تمام خط و خش های باقیمانده بر روی نمونه و صیقل دادن آن ها انجام می ­گیرد و بر دو نوع است: پولیش مکانیکی و پولیش الکترولیتی یا الکتروپولیش.

پولیش مکانیکی بر روی یک دیسک چرخان که با ماهوت یا نمد پوشانده شده و به آن یک ماده ساینده خیلی نرم پاشیده می­شود، انجام می­ گیرد.

به عنوان ماده ساینده نرم معمولاً از پودر اکسید آلومینیوم (آلومین) در دانه بندی های مختلف مثل 1، 0٫3 و 0٫05 میکرون برای پولیش انواع فلزات استفاده می شود. این پودر در ظرفی حاوی آب ریخته شده و به تناوب روی سطح نمد دیسک چرخان اضافه می شود تا عملیات پولیش به خوبی انجام بگیرد.

پولیش مکانیکی:
پولیش الکترولیتی به انحلال سطح نمونه در یک محلول الکترولیتی گفته می شود. برای این منظور، از دستگاه الکتروپولیش استفاده می شود که در آن، از محلول های اسیدی به عنوان الکترولیت، نمونه متالوگرافی به عنوان آند و یک صفحه از فولاد زنگ نزن به عنوان کاتد استفاده می شود و ضمن اعمال جریان، ریز قله های سطح نمونه حل شده و یک سطح آینه ای حاصل می شود.

اچ کردن:
هدف از اچ کردن ظاهر کردن و قابل رویت ساختن ریز ساختار، دانه ها، مرزدانه ها و فازهای مختلف ساختار نمونه است.

اچ کردن به خوردگی سطح نمونه آماده سازی شده به­ وسیله یک مایع خورنده که معمولاً نوعی اسید است، گفته می شود.

هنگام اچ کردن مرزدانه­ ها و مناطق پر انرژی سطح خورده شده و دانه ­بندی قطعه کار مشخص می­ شود. هم­ چنین دانه ­ها و فازهای مختلف ماده در مقابل مواد خورنده با شدت ­های متفاوتی خورده شده و این خود موجب تشخیص آن ­ها از یکدیگر می­ شود.

بدون اچ کردن، اکثر فلزات ساختار خود را نشان نمی دهند البته ممکن است بدون اچ کردن بتوان گرافیت های چدن­های خاکستری و یا داکتیل را مشاهده کرد.

به ­طور کلی علل تشخیص دانه­ ها و فازهای مختلف بر روی سطح اچ شده نمونه را می ­توان به صورت زیر طبقه­ بندی کرد:

1- اگر یک فلز خالص را که دارای دانه ­های همگنی می ­باشد اچ کنیم، مرزدانه ­ها به­ صورت خطوط مشبک تیره رنگی دیده می ­شود. در بعضی مواضع دانه ­ها به ­طور متفاوتی اچ می­ شوند زیرا دانه­ های مختلف، سطح قطعه را در صفحات کریستالوگرافی متفاوتی با فعالیت ­های شیمیایی مختلف قطع می­ کنند، در نتیجه بعضی دانه­ ها تقریباً با محلول اچ تماس کمتری حاصل کرده و روشن ­تر باقی می ­مانند. این در حالی است که باقی دانه ­ها با شدت بیشتری خورده شده و تیره می ­گردند.

2- در مورد فلزاتی که متشکل از فازهای مختلف می ­باشند مسئله کمی متفاوت است. در این­جا اجزاء تشکیل دهنده یک فلز غیرهمگن با شدت ­های مختلفی اچ می ­شوند که این به واسطه یکسان نبودن حلالیت فازهای مختلف تشکیل دهنده یک فلز در محلول اچ می­ باشد.

3- در هر نمونه یک سری عیوب مثل نابه جایی و مرزدانه وجود دارد که مناطقی پر انرژی هستند و در صورت تماس با محلول اچ، زودتر و شدیدتر خورده می شوند، در نتیجه در زیر میکروسکوپ تیره تر دیده می شوند.

موفقیت در اچ کردن مناسب، بستگی به محلول اچ و زمان اچ کردن برای فلزات مختلف دارد. از محلول های اچ می توان به نایتال، پیکرال، کلرید فریک و اسید کلریدریک، پرسولفات آمونیوم، اسید هیدروفلوریک و غیره اشاره کرد.

به منظور اچ کردن، معمولاً نمونه را به مدت چند ثانیه در داخل محلول اچ غوطه ور می کنند. سپس آن را با آب مقطر و سپس الکل می شویند و خشک می کنند.

بررسی میکروسکوپی:
پس از اچ کردن می­ توان مرزدانه­ ها، ریز ساختار و فازهای نمونه را در زیر میکروسکوپ مشاهده نمود. میکروسکوپ های مورد استفاده در متالوگرافی از روش نوردهی به نمونه با میکروسکوپ های نوع بیولوژیکی متفاوت هستند.

این میکروسکوپ­ ها دارای عدسی ­های مختلفی هستند که هر عدسی بزرگنمایی متفاوتی را به ما می ­دهد. قسمت­هایی نیز برای تنظیم میکروسکوپ و نیز نصب دوربین عکاسی و غیره روی آن تعبیه شده است.

با کمک بزرگنمایی های مختلف میکروسکوپ و همچنین نرم افزارهای تحلیل ساختاری، می توان به مطالعه و تحلیل ریزساختار و پیش بینی های لازم از حواص و ویژگی های ماده پرداخت.