یکی از عوامل تعیین کننده خواص فیزیکی و مکانیکی مواد؛ ریز ساختار مواد است. درواقع ریز ساختار مواد، مشخصات مشاهده ‌شده از ساختار مواد، توسط میکروسکوپ است. ریز ساختار می تواند بر عواملی مثل استحکام، انعطاف پذیری ، سختی، مقاومت در برابر سایش و خوردگی تاثیر بگذارد.متالوگرافی نیز شاخه ای از متالوژی و علم مواد بوده و به بررسی و تحلیل ریزساختار فلزات می پردازد و نقش مهمی در فرایندهای پژوهشی، صنعتی و کنترل کیفیت فلزات دارد.

اگر در این حوزه مطالعه یا فعالیت می کنید و علاقمند هستید در خصوص متالوگرافی و مراحل انجام آن اطلاعات بیشتری کسب کنید؛ دعوت می کنیم در ادامه با فولاد نصر آذربایجان همراه باشید.

متالوگرافی چیست؟ ( Metallography )

به علم و هنر آماده سازی نمونه های فلزی جهت بررسی های میکروسکوپی و مطالعه ریزساختار آنها به منظور تعیین خواص فیزیکی و مکانیکی آن آلیاژ خاص، متالوگرافی گفته می شود.

مراحل آماده سازی در متالوگرافی

در آزمایشگاه های مختلف از روش های متفاوتی برای آماده سازی نمونه استفاده می کنند و از آنجا که فلزات از نظر سختی و بافت با یکدیگر متفاوت اند ؛ روش آماده سازی نمونه هم ممکن است کمی متفاوت باشد. ولی به طور کلی عملیات آماده سازی شامل فرایند های زیر می باشد :

تهیه ی قطعه ای از فلز و برش تکه کوچکی از آن :

انتخاب نمونه متالوگرافی که زیر میکروسکوپ قرار می گیرد از اهمیت زیادی برخوردار است.زیرا نمونه انتخاب شده باید نماینده کل فلز یا آلیاژ باشد. برای جدا کردن نمونه از قطعه نیز از عملیات برش یا مقطع زنی استفاده می شود. این عملیات بسته به جنس فلز، ابعاد و سختی نمونه ممکن است به روش های مختلفی انجام شود. اما آنچه که در عملیات برش اهمیت دارد، این است که آسیب های ایجاد شده در نمونه باید به حداقل برسد. همچنین در این مرحله به عواملی مانند فشار، دما، سرعت برش، شرایط توسعه ترک، تولید حرارت، دقت عمل اپراتور و… توجه ویژه ای می شود. برش نیز معمولا با اره، دستگاه تراش و یا قوس الکتریکی انجام می شود و نمونه ای به شکل مکعب و به ابعاد 10 میلی متر و یا پولکی به قطر و ارتفاع 15 میلی متر از قطعه بریده می شود.

قرار دادن تکه فلز در داخل مواد مانت (مانتینگ) :

تراش یا صیقل نمونه های کوچک بسیار سخت و دشوار است. به همین دلیل ابتدا نمونه های متالوگرافی در داخل یک پلیمر یا رزین خاص مانت می ‌شوند تا برای اقدامات بعدی قابلیت حمل و آزمون پیدا کنند. مانت کردن نیز به دو صورت گرم و سرد انجام می شود.

مانت گرم :

در این روش نمونه در داخل دستگاه مانت قرار گرفته و پودر پلیمری بر روی آن ریخته می شود. حال دما تا حدود 150 درجه سانتیگراد بالا رفته و فشاری در حدود30 مگاپاسکال وارد می شود و پلیمر اطراف نمونه را پر کرده و سخت می شود.در حقیقت در روش مانت گرم ؛گرما و فشار به طور همزمان اعمال می شود.

مانت سرد :

در این روش از دو محلول شیمیایی به صورت پودر-مایع یا دو نوع مایع استفاده می شود. به این صورت که این محلول ها تا دمای  40-50 درجه سانتیگراد حرارت داده شده و سپس در قالب حاوی نمونه ها ریخته می شوند. و پس از گذشت چند ساعت محلول سفت شده و نمونه را دربر می گیرد.

در بین این دو روش ؛ مانت گرم عملکرد بهتری دارد. زیرا اعمال فشار باعث پر شدن بهتر حفره های اطراف نمونه شده و نفوذ محلول اچ به آن مناطق تا حد زیادی کاهش می یابد.

پرداخت ابتدایی یا خشن :

در این مرحله سطح نمونه با انواع مختلفی از ساینده های ریز مانند پودر های “کاربید سیلیسیم” که بر روی کاغذ های مخصوص تعبیه شده اند، ساییده می شود و از آب برای تمیز کردن و شستن ذرات جدا شده از سطح نمونه و کاهش گرمای قطعه استفاده می شود. سمباده زنی خشن تا آنجا ادامه پیدا می کند که سطح نمونه صاف و صیقلی شده و اثری از خراش های ناشی از اره یا سنگ برش بر روی آن دیده نشود.

سایش نهایی و پولیش کردن قطعه تا زمان برطرف شدن کلیه خراش ها  :

یکی از مهم ترین مراحل در آماده سازی متالوگرافی پرداخت نهایی است که به دو صورت مکانیکی و الکترولیتی انجام می شود. در  پولیش مکانیکی پودر “اکسید آلومینیوم“ (کواندرام) و “اکسید های منیزیم بر روی صفحه دستگاه پولیش که یک صفحه صاف و گرد و چرخان است ، ریخته می شود و با حرکت صفحه پودر های ساینده باعث صیقل قطعه می شوند و آب نیز قسمت بالا به وسط صفحه ریخته شده و براده ها را تمیز می کند تا در نهایت قطعه  به صورت آینه ای و عاری از هر گونه خط، خراش و یا فرورفتگی به وجود آید.همچنین مدت زمان پولیش کردن نیز به جنس قطعه ، نوع مواد ساینده و سرعت دستگاه بستگی دارد.

در پولیش الکترولیتی نیز سطح نمونه در یک محلول الکترولیتی انحلال می یابد. 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 و صاف به وجود می آید.

قرار دادن نمونه در معرض یک محیط خورنده و اسیدی :

بعد از عملیات مانتیگ و پرداخت؛ تمام ویژگی های سطحی مانند گودال ها، سوراخ ها، ترک ها، و … باید زیر میکروسکوپ کاملا قابل رویت باشند اما معمولا در عمل این اتفاق نمی افتد. زیرا نور تابش یافته به سطح به طور مستقیم بازتاب می شود و تفاوت های کوچک در این بازتاب به وسیله چشم قابل تشخیص نیست.

به همین منظور عملیات اچ کردن انجام می شود و هدف از انجام آن ظاهر کردن و قابل رویت ساختن ریز ساختار، دانه ها، مرزدانه ها و فازهای مختلف ساختار نمونه است. برای اچ کردن نمونه ها معمولاً از یک اسید یا باز قلیایی ضعیف استفاده می‌شود و نمونه را داخل آن فرو می برند. این کار باعث می‌شود سطح نمونه در اسید حل شود. این انحلال در مرز دانه‌ها زودتر اتفاق می‌افتد و بلندی‌ ها و مرزها به صورت پله ‌هایی کم عمق در سطح ظاهر می‌شوند. رایج ترین محلول مورد استفاده برای فولاد ها نیز “نایتال نام دارد که محتوی محلول  2% اسید نیتریک در الکل است.

مشاهده آن در میکروسکوپی با محدوده بزرگنمایی 50-1500 برابر :

در این بخش بسته به نوع آنالیز و اهمیت نمونه متالوگرافی از انواع مختلف میکروسکوپ مانند میکروسکوپ نوری (OM)، الکترونی روبشی (SEM) یا الکترونی عبوری (TEM) استفاده می شود.

میکروسکوپ نوری (OM)

در میکروسوپ های نوری که برای متالوگرافی استفاده می شود، اساس کار بر فاصله نمونه تا آشکارساز و انعکاس نور از نمونه برمی گردد. به این منظور نمونه را در محل مخصوص قرار می دهند و سپس شدت نوری که به نمونه تابیده می شود را با دیافراگم تنظیم کرده و سپس از چشمی دستگاه نگاه می کنند و پیچ تنظیم را می چرخانند تا تصویر واضح شود.

میکروسکوپ الکترونی

در این نوع میکروسکوپ ها به وسیله ی قطعه ای به نام تفنگ الکترونی؛ الکترون تولید شده و به سمت نمونه پرتاب می شود. سپس با استفاده از لنزهای مغناطیسی الکترون ها متمرکز می شوند و پرتو هایی از این الکترون ها در ایجاد تصویر استفاده می شوند که باعث می شود تصویر به دست آمده وضوح و بزرگنمایی بیشتری نسبت به میکروسکوپ های نوری داشته باشد. البته در این میکروسکوپ ها نمونه حتما باید از نوع رسانا باشد.

انواع متالوگرافی

به طور کلی متالوگرافی به دو نوع تحقیقاتی و کنترل کیفی تقسیم می شود.

• متالوگرافی تحقیقاتی : این نوع متالوگرافی به دلیل نیاز به شناخت دیاگرام های فازی و دیاگرام های TTT پیچیده تر است.
• متالوگرافی کنترل کیفی : این متالوگرافی در صنعت بیشترین اهمیت را دارد.

کاربرد متالوگرافی

از مهم ترین کاربرد های متالوگرافی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1- بررسی سطح شکست و علت احتمالی آن : برخی از شکست‌ها در قطعات فلزی به طور مرزدانه‌ای و برخی دیگر به صورت داخل دانه‌ای می‌باشند. بررسی کیفیت شکست توسط میکروسکوپ های نوری ، به مهندسین این دید را می‌دهد که کدام یک از مراحل طی شده در ساخت و بکارگیری قطعه مورد نظر را اشتباه ارزیابی کرده‌اند و در جهت رفع آن مشکل، بهتر است که چه فرایندهایی انجام شود.

2- بررسی علت عدم پاسخگویی مناسب قطعه، متناسب با پیشبینی‌های انجام شده

3- کاهش هزینه‌های ناشی از تعمیرات و جلوگیری از تخریب کامل قطعات

4- کسب اطلاعات بیشتر در خصوص ویژگی های فیزیکی و مکانیکی محصولات مانند استحکام، انعطاف پذیری، سختی ، مقاومت در برابر خوردگی و…

سخن آخر

همان طور که اشاره شد علم متالوگرافی شاخه ای از متالوژی و مهندسی مواد است که در پروژه های تحقیقاتی و کنترل کیفی کارخانجات صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد و هدف از آن تعیین خواص فیزیکی و مکانیکی نمونه ی تحت بررسی است. متالوگرافی در آزمایشگاه به صورت مرحله به مرحله انجام می شود و در صورتی که این مراحل به درستی انجام شود؛ می تواند نقش مهمی پیشرفت تحقیقات و تولید محصولات با کیفیت تر داشته باشد.

ما نیز در شرکت فولاد نصر آذربایجان به عنوان یکی از بزرگترین واحد های تولیدی مقاطع فولادی از قبیل انواع تیر آهن ، نبشی  و… آماده ی ارائه خدمات به شما هموطنان عزیز هستیم.