تحقیق مقاله متالوگرافی و کاربرد آن

متالوگرافی، شاخه ای از علم متالوژی است که شامل آماده سازی و مطالعه سطحئ یک نمونه فلزی می‌باشد. در این بررسی و مطالعه، که با استفاده از ابزاری بنام میکروسکوپ صورت می‌گیرد، اطلاعاتی راجع به ساختار درونی قطعات فلزی بدست می‌آید.

بطور کلی، مطالعات ساختاری فلزات و آلیاژ ها، در زیر میکروسکوپ در دو مقیاس به شرح زیر انجام می‌گردد:

1) بررسی و مطالعه ماکروسکوپی

Macroscopic Examination

2) بررسی و مطالعه میکروسکوپی

Microscopic Examination

مطالعات ماکروسکوپی ساختار فلزات و آلیاژها

در این نوع برسی، ساختار فلزات د رزیر میکروسکوپ و با بزرگنمایی کم (تا حدود 10 برابر) مورد مطالعه قرار می‌گیرد. این امر موجب می‌شود تا بر روی سطح وسیعی از نمونه مورد آزمایش یک مطالعه اجمالی انجام می‌شود و اغلب نیز اطلاعات اولیه ای راجع به کیفیت قطعه، یعنی یکپارچگی فلز و ساختار آن، انجماد و کیفیت عملیات نهایی(ریخته گری، کار مکانیکی، جوشکاری و...)بدست آید.

بدلیل پایین بودن بزرگنمایی، بررسیهای ماکروسکوپی در تحقیقات فلزات، بیشتر در مراحل ابتدایی و اولیه بکار گرفته می‌شوند و مطالعات دقیق تر و نهایی، دیگر در این مقیاس قابل بررسی نمی باشند.

مطالعه ساختارهای ماکروسکوپی، می‌تواند هم‌بطور مستقیم بر روی سطح فلز(به عنوان مثال بر روی سطح قطعات ریخته گری یا قطعات آهنگری شده) صورت می‌گیرد و هم‌بر روی مقاطع شکست و نیز بعد از انجام عملیات سطحی ویژه بر روی سطح قطعه انجام می‌شود. در زیر بطور خلاصه، به موارد کاربرد متالوگرافی در بررسی های ماکروسکوپی ساختار فلزات و آلیاژها اشاره می‌گردد:

 بررسی مقاطع شکست قطعات به منظور تعیین علل شکست و نیز نوع شکست از نقطه نظر اینکه، این شکست از نوع تردBrittle Fracture بوده و یا از اینکه و یا از نوع نرم Ductile Fracture می‌باشد.

لازم به ذکر است مقطع شکست ترد، به صورت صیقلی دیده می‌شود، در حالیکه مقطع شکست نرم، بدلیل وجود ناهمواری(پستی و بلندی) تیره دیده می‌شود. شکست نرم با تغییر فرم پلاستیک همراه است.

 تعیین حفره های انقباضی، حفره های گازی، شکافها و محفظه های تشکیل شده در فلز ریخته شده(شمش‌ها یا قطعات ریختگی) که در اثر شرایط نامناسب ذوب و ریخته گری و انجماد حاصل می‌شوند.

 ترکهای تشکیل شده در فلز نورد یا آهنگری شده، ذر حین انجام کار مکانیکی یاعملیات حرارتی .

 محفظه‌ها و مکهای گازی که ضمن جوشکاری در محل جوش بوجود می‌ایند.

مطالعات میکروسکوپی ساختار فلزات و آلیاژها

مطالعه ساختار درونی موارد در زیر میکروسکوپ را، تحت بزرگنمایی های بالا، مطالعه میکروسکوپی و ساختار مشاهده شده در چنین حالتی، ساختار میکروسکوپی می‌نامند.

بر حسب بزرگنمایی مورد نیاز می‌توان فازهای یک ساختار، تعداد، شکل و توزیع آنها را با استفاده از میکروسکوپ های نوری و الکتریکی مورد بررسی و مزالعه قرار داد.

لازم به ذکر می‌باشد که نمونه‌ها در این نوع بررسی ها، بایستی بعد از انجام عملیات سطحی، مورد مطالعه قرار گیرند.

برخی از کاربردهای متالوگرافی در بررسی میکروسکوپی ساختار مواد فلزی به شرح زیر می‌باشد:

 تعیین و تشخیص فازهای تعادلی و غیر تعادلی

 تعیین روش تولید و عملیات انجام شده بر روی قطعه

 متالوگرافی کمی(تعیین اندازه دانه‌ها و آخالها، بویژه تعیین اندازه دانه های فاز زمینه و یا تعداد آخالهای موجود در یک آلیاژ)

برای تعیین اندازه دانه، ساختار میکروسکوپی در یک بزرگنمایی(x100) با مقیاس های استاندارد مقایسه می‌شود. در این اندازه گیری، تعداد دانه‌ها در واحد سطح مقطع میکروسکوپی، شمارش شده و در نهایت قطر متوسط استاندارد یک دانه یا تعداد دانه‌ها در mm31 فلز محاسبه می‌شود.

محاسبات مربوط به فاکتورهای ذکر شده جهت تعیین اندازه دانه، در جدول زیر نشان داده شده است.(جدول 3)

لازم به ذکر است که در مقیاس های استاندارد، به هر اندازه دانه یک شماره نسبت داده می‌شود که در حقیقت نشان دهنده مشخصات دانه بندی یک ساختار می‌باشد.

(جداول در فایل اصلی موجود است)

وسایل و تجهیزات مورد استفاده در متالوگرافی

میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی

مشاهده ساختار میکروسکوپی مواد اغلب با دو وسیلهخ میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی صورت می‌گیرد. حوزه بزرگنمایی این دو میکروسکوپ نوری بزرگنمایی در حد بین 20تا 2000مرتبه دارد و برای مطالعه مواردی نظیر ساختاری میکروسکوپی(دانه های جسم) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در حالیکه در تحقیقات عالی که نیاز به بزرگنمایی های بسیار بالا می‌باشد از میکروسکوپ الکترونی استفاده می‌شود. میکروسکوپ الکترونی امروزه از مدرنترین دستگاه های تحقیقاتی است که بزرگنمایی آن حدود 30000 مرتبه است و البته هر روزه میکروسکوپ های قویتر و گرانتر ساخته شده و در اختیار مراکز تحقیقاتی جهان قرار می‌گیرد.

میکروسکوپ نوری

میکروسکوپ نوری دستگاه آشنایی است که با طرحهای گوناگون به بازار عرضه شده است. این میکروسکوپ‌ها بر حسب یکی از دو حالت عبور نور از داخل نمونه و یا بازتاب (انعکاس) آن از سطح نمونه به دو دسته عبوری(شفاف) و انعکاسی طبقه بندی می‌شوند.

در متالوگرافی و شناخت ساختار میکروسکوپی مواد و فلزات چون بیشتر مواد کدر هستند لذا نور از آنها عبور نمی کند، در نتیجه در متالوگرافی بیشتر از میکروسکوپ انعکاسی استفاده می‌شود. شمایی از این دستگاه در شکل(25) مشاهده می‌شود.

شکل-25

اولین مرحله آماده کردن نمونه برای مشاهده زیر میکروسکوپ، ساییدن و پرداخت کردن آن تا مرحله آینه ای است، در این وضعیت تمام قسمتهای سطح نمونه، نور را به داخل عدسی منعکس می‌کنند، در نتیجه هیچگونه ساختار میکروسکوپی مشاهده نمی شود.

با عمل اچ کردن(حک کردن) مرز بین دانه‌ها مرئی می‌شوند. معمولاً برای انجام این کار، سطح پرداخت شده را در معرض تأثیر نوعی ماده شیمیایی قرار می‌دهند. تأثیر ماده شیمیایی روی نمونه، با خوردن مرز بین دانه‌ها شروع می‌شود. مرز بین دانه‌ها در اثر خورده شدن بصورت شیارهای ظاهر می‌شود. نورهای منعکس شده از شیارهایی ظاهر می‌شود. نورهای منعکس شده از شیارها تغییر مسیر داده و به عدسی چشمی نمی رسد، در نتیجه مرز یبن دانه به صورت خطوط تیره ظاهر می‌شوند.

ادامه عمل اچ کردن با خورده شدن سطح دانه‌ها همراه است. سرعت خورده شدن سطح دانه به جهت استقرار صفحات بلورین آن بستگی دارد. سرعت واکنش شیمیایی در همه جهات یکسان نیست، لذا سطح برخی از دانه‌ها سریعتر از سطح دانه های لذا سطح برخی از دانه‌ها سریعتر از دانه‌ها از سطح دانه های دیگر خورده می‌شوند. آن دانه هایی که طوری جهت گیری شده اند که نور منعکس شده از انها به داخل میکروسکوپ بر نمی گردد، تیره دیده می‌شود.

میکروسکوپ الکترونی

میکروسکوپ الکترونی(SEM) امروزه اغلب در مراکز تحقیقاتی معتبر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد.

زمینه های تحقیق بیشنر عبارتند از: زمین شناسی، متالوژی،تکنولوژی نیمه هادیها، کنترل کیفی بررسی ساختاری فلزات، شکست نگاری، خوردگی و اکسیداسیون، متالورژی پودری، لاستیکها و پلاستیکها، انجماد، شکل دادن فلزات و ... .

بزرگنمایی میکروسکوپ الکترونی بسیار بالاست و تا 300000 برابر می‌رسد و قدرت تفکیک آن نیز بسیار عالی است و قادر است تا حدود A10 (انگستروم) را تشخیص دهد. امروزه همراه با میکروسکوپ الکترونی، دستگاه آنالیز اشعه X نیز وجو دارد که می‌تواند آنالیز کمی ترکیب را نیز در یک حجم کوچک ارائه دهد.

اصول کلی دستگاه میکروسکوپ الکترونی بدین صورت است که یک دسته پرتو الکترونی توسط ایجاد ولتاژ بسیار بالا( حدودKV50) از یک فیلمان حرارت دیده شتاب داده می‌شوند این الکترونها ا زمیان عدسی های مغناطیسی عبود کرده و بصورت متمرکز شده بر روی سطح نمونه (آلیاژ) تأبیده می‌شود و موجب می‌شود که الکترونهایی از سطح نمونه خارج گردند، این الکترونها توسط یک کلکتور جمع آوری شده و توسط آمپلی فایر تقویت شده و بر روی صفحه تلویزیونی رؤیت می‌گردد و اطلاعات دقیقی از سطح نمونه بدست می‌دهد که می‌توان آنرا مورد تجزیه و تحلیل قرار داد.

دستگاه پولیش(صیقل کاری)

پس از اینکه از آلیاژ نمونه تهیه شد بایستی آنرا تراشکاری کرده و سپس سطح آنرا توسط سمباده های درشت و بعد با سمباده های بسیار نرم(به ترتیب) سمباده کاری و صیقل نمود.

صیقل کاری نهایی توسط دستگاه پولیش انجام می‌گیرد. دستگاه مزبور بسیار ساده است و بطور کلی از طریق مکانیکی یک دیسک صفحه ای که روی آن را پارچه پرزدار یا مخمل یا پوست خز و یا پارچه های ظریف چسبانده شده است،با سرعت مناسب به حرکت‌ در می‌آید و حول محور اصلی می‌چرخد .

در حین صیقل کاری نهایی از ساینده هایی نظیر اکسید آلومینیوم(کوراندم) که به صورت پودرهای بسیار ریز متعلق در آب می‌باشند برای مواد آهنی و مسی استفاده می‌شود وبرای صیقل کاری آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم غالباً از اکسید منیزیم معلق در آب استفاده می‌شود.

این ذرات ساینده بر روی پارچه مخمل دستگاه پولیش ریخته می‌شوند و نمونه را روی آنها نگه می‌دارند تا سطح آن کاملاً صیقلی و آینه ای گردد.

عملیات آماده سازی و تهیه یک مقطع متالوگرافی

تحقیق بر روی ساختار فلزات بوسیله، یک میکروسکوپ، تنها وقتی امکان پذیر است که پرتوهای نوری تابیده شده به سطح فلز، با شدت نسبتاً زیادی از این سطح منعکس گردد. به همین دلیل، سطح نمونه بایستی تحت عملیات سطحی خاص، آماده گردد. نمونه ای که سطح آن جهت بررسی میکروسکوپی آماده شده است، «مقطع» نامیده می‌شود. برای تهیه یک مقطع بایستی نمونه ای از فلز مورد مطالعه، بریده شده و سطحی صاف و صیقلی تهیه گردد.