آنالیز ریزساختاری مجموعه ای از روش های آنالیز مواد است که از طریق بررسی های تصاویر گرفته شده در مقیاس میکروسکوپی، به تعیین خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی مواد کمک میکند. برای مثال، استحکام و سختی مواد به وسیله تعداد فازها و اندازه دانه آن ها تعیین میشود. آنالیز ریزساختاری به تعیین خواص الکتریکی و مغناطیسی و خواص شیمیایی (برای مثال مقاومت در برابر خوردگی) قطعه نیز میتواند کمک کند. این دسته خواص نیز به اندازه دانه و نقص های ریز ساختاری (از جمله تهیجای ها، نابجایی ها، مرز دانه ها و …) حاضر در مواد بستگی دارند.
آنالیز ریزساختاری جامع معمولا شامل توصیف اندازه، شکل و توزیع دانه ها و ذرات فاز ثانویه و ترکیب آن ها میشود. عیوب ریزساختاری نیز در موارد خاص بررسی میشوند. به طور کلی، ریزساختار یک فلز یا آلیاژ را میتوان به وسیله روش هایی تغییر داد. اضافه کردن عناصر آلیاژی میتواند منجر به ایجاد یک فاز جدید بشود. تغییر شکل های متنوع میتوانند روی شکل دانه ها تاثیر بگذارند. استحاله های فازی تحت تاثیر دما یا تغییر شکل نیز میتوانند به تغییر شدید تصاویر ریزساختاری منجر شوند. استحاله آستنیت به مارتنزیت توسط سرمایش سریع در تمامی فولادها یا تغییر شکل شدید در فولادهای تریپ از این دسته تغییرات ریزساختاری هستند. از طریق آنالیز ریزساختاری میتوان به تاریخچه قطعه، به خصوص در سه مورد یاد شده دست پیدا کرد.
میکروسکوپ نوری
اغلب مشخصه های ریزساختاری و اجزای مهم در آنالیز ریزساختاری آلیاژهای مهندسی در ابعاد چند ده میکرون یا بیشتر هستند. با این وجود، اخیرا مشاهده و بررسی مواد در ابعاد نانوساختاری حدود چند صد نانومتر نیز اهمیت زیادی پیدا کرده است. برای مثال، در این ابعاد میتوان برهمکنش نابجایی ها و مرز دانه ها را به خوبی مشاهده کرد. برای مشاهده این اجزا باید از تجهیزات پیشرفته تری استفاده نمود.
مشخصه های ریزساختاری با ابعاد چند ده میکرون به وسیله میکروسکوپ های نوری قابل مشاهده و بررسی هستند. با این وجود، به منظور مشخص شدن بهتر این اجزای ریزساختاری مثل فازهای ثانویه یا دانه ها باید از میکروسکوپ های الکترونی روبشی یا SEM استفاده کرد. وجود این اجزا و مشخصه را میتوان با میکروسکوپ نوری تایید کرد و شکل و بافت آن ها را با میکروسکوپ SEM مشاهده نمود. برای مشاهده اجزای ریزساختاری و درک بهتر شکل و بافت آن ها باید از میکروسکوپ های الکترونی عبوری یا TEM استفاده نمود.
میکروسکوپ TEM
به منظور دست یابی به رزولوشنی در مقیاس اتمی، میتوان از میکروسکوپ یونی ، میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) یا میکروسکوپ نیروی اتمی یا AFM استفاده کرد. آنالیز AFM و STM به دلیل اطلاعات متفاوتی که جدا از جنبه آنالیز ریزساختاری ارائه میکنند، کاربرد بیشتری پیدا کرده اند. تعیین نیروهای مغناطیسی و الکترواستاتیکی و برهمکنش های شیمیایی از اطلاعات دیگری هستند که این میکروسکوپ ها ارائه میکنند.
آنالیز EBSD روش آنالیز دیگری است که از طریق تحلیل پراش الکترون های بک اسکتر ، اطلاعات متنوعی را ارائه میکند. از طریق این آنالیز ریز ساختاری ، اطلاعاتی در خصوص زاویه مرز دانه ها، جهت گیری دانه ها، توزیع اندازه دانه و بافت بلورشناسی ساختار به دست می آید. این اطلاعات به شکل انواع نمودار و تصاویر متفاوتی قابل ارائه است.
اطلاعات آنالیز ریزساختاری معمولا به شکل تصاویر ارائه میشوند. این تصاویر میتوانند به طور مستقیم مشاهده شده، توسط روش های عکس یا فیلمبرداری ضبط و ذخیره شده یا توسط سنسورهای تصویری برای تحلیل هوش مصنوعی به الگوریتم داده شوند.
در آنالیز میکروسکوپ نوری ، نور به جسم برخورد کرده و تصویر مد نظر توسط عدسی های شیئی و چشمی بزرگنمایی میشود. بزرگنمایی حدود 1000 تا 2000 برابر توسط میکروسکوپ های نوری معمول قابل دستیابی است. اندازه و شکل دانه ها، میزان فازهای مختلف در ریزساختار و ساختار هایی مثل دوقلویی آنیلی توسط میکروسکوپ های نوری قابل رویت هستند. به وسیله مشاهده کردن ریزساختار توسط آنالیز ریزساختاری میکروسکوپ نوری ، میتوان تاریخچه ریخته گری، آنیل یا کار سرد شدن قطعه را حدس زد. حداکثر رزولوشن میکروسکوپ نوری که از نور مرئی استفاده میکند، حدود 200 نانومتر یا نصف طول موج نور تابیده شده است.
آنالیز SEM بزرگنمایی حدود ده هزار تا پنجاه هزار برابر دارد، با استفاده از دستگاه های FE-SEM میتوان به بزرگنمایی بیشتر نیز دست یافت. رزولوشن معمول دستگاه های SEM در حدود ده نانومتر است، اما ممکن است به یک نانومتر نیز برسد.
میکروسکوپ SEM
به دلیل عمق میدان بالای میکروسکوپ SEM ، میتوان از این روش آنالیز ریزساختاری به منظور تحلیل محل شکست استفاده کرد. شکست ترد یا نرم و توپوگرافی محل شکست به وسیله آنالیز الکترون های ثانویه قالب تحلیل هستند. به وسیله آنالیز backscatter نیز میتوان تغییر ترکیب شیمیایی در بخش های مختلف قطعه را مشاهده کرد.
آنالیز TEM ابزاری قوی برای تحلیل کامل ریزساختار، شبکه بلوری و ساختار شیمیایی فازهای مختلف موجود در ماده است. به وسیله آنالیز TEM میتوان نقص های بلوری را شناسایی کرد. نقص هایی از جمله تهی جای ها و اتم های بین نشین، نقص های خطی (نابجایی ها) و همچنین مرزهای دانه ون قص چینش را میتوان به وسیله TEM مشخص و مشاهده کرد.
الگوی آنالیز ریزساختاری با میکروسکوپ یونی
بزرگترین مانع بر سر بکارگیری گسترده دستگاه های TEM برای آنالیز ریزساختاری ، دشوار بودن آماده سازی نمونه برای TEM است. ساخت نمونه TEM به شکل نمونه های فویلی بسیار نازک انجام میشود که ضخامتی زیر 100 نانومتر دارند. ساخت نمونه برای TEM بوسیله روش هایی از جمله الکتروپولیش و اشعه یونی متمرکز انجام میشود. اشعه الکترون بعد از برخورد به قطعه احتمال رد شدن یا تفرق بر اثر برخورد با اتم ها را دارد. میتوان با تنظیم دریچه TEM روی این دو اشعه، تصاویر متفاوتی را ثبت کرد، که مشخصه های ریزساختاری متمایزی را نشان بدهند. همچنین میتوان یک الگوی پراش به دست آورد و بوسیله آنالیز پراش الکترونی ، ساختار بلوری و نقص های بلوری را تحلیل کرد.
عکس ریز ساختاری محل شکست
میکروسکوپ یونی رزولوشنی در ابعاد اتمی و قابلیت تحلیل شیمیایی اتم های مجزا را دارد. در میکروسکوپ یونی، نمونه ای با شعاع انتهایی حدود 50 تا 100 نانومتر آماده سازی میشود. سپس به آن پتانسیل الکتریکی اعمال میشود که باعث یونیزه شدن گاز خنثی اتمسفر میکروسکوپ میشود. بزرگنمایی میکروسکوپ یونی حدود یک میلیون برابر است. رزولوشن اتمی میکروسکوپ یونی، تشخیص نقص ها را بسیار آسان میکند. برای مثال، نبود یک نقطه روشن در حلقه به هم پیوسته ای از نقاط، نشان دهنده وجود احتمالی یک تهیجای در آن نقطه است.
فرمت یک راه حل نوین جهت رفع نیازهای صنعتی است. هدف فرمت ایجاد بستری برای معرفی، بررسی و مقایسه ی خدمات صنعتی ارائه شده توسط ارائه دهندگان مختلف و انتخاب بهترین راه حل جهت رفع مشکلات و پاسخگویی به نیازهای صنایع مختلف است.
آدرس: تهران، خیابان آزادی، دانشگاه صنعتی شریف
ایمیل: info@formmat.ir
