متالوگرافی

قطعات بررسی شده در آزمایش متالوگرافی شامل قطعات پایه آهنی و غیرآهنی است که در صنایع خودروسازی ، هوایی، پزشکی و اجزا جوشکاری شده، کاربرد دارند. آنالیز قطعات و تحلیل ساختار آن ها، به مهندسان این امکان را می دهد تا بتوانند استحکام، چقرمگی، سختی، مقاومت به خوردگی و حرارت، مقاومت به سایش و شکست زودهنگام قطعه مورد نظر را پیش بینی کنند.

به طور کلی، بررسی های میکروسکوپی و ماکروسکوپی در آزمایش متالوگرافی با استفاده از آنالیز میکروسکوپ نوری و استریو در بزرگنمایی های مختلف و توسط نرم افزارهای تحلیل تصویر (Image Analyzer) انجام می شود. به کمک این نوع نرم افزار می توان درصد کسری فازها، اندازه دانه ها، ضخامت پوشش، توزیع گرافیت ها در چدن و میزان تمیزی فولاد را تعیین نمود. در نتیجه، از این طریق می توان فرآیند تولید قطعات و سیکل عملیات حرارتی اعمال شده بر روی قطعات را با هدف مهندسی معکوس مشخص کرد.

خدمات متالوگرافي

به غیر از بررسی ساختاری، از متالوگرافی برای بررسی پوشش هایی مانند پوشش های کلدینگ ، پاشش سرد و گرم، آبکاری، جوشکاری و … نیز استفاده می شود. در نتیجه، از این طریق می توان ضخامت پوشش، میزان تخلخل پوشش، یکنواختی ضخامت پوشش، کیفیت اتصال پوشش و … را بررسی نمود.

همچنین، آزمایش متالوگرافی در بررسی فرآیندهای نفوذی نیز کاربرد دارد. به عنوان مثال، می توان به کمک متالوگرافي ضخامت لایه دکربوره را در قطعات عملیات حرارتی شده بررسی کرد و یا در فرآیندهای نیتروژن دهی، نیتروکربن دهی و بوردهی برای تعیین لایه ترد سطحی و عمق نفوذ عناصر از آن استفاده کرد.

مراحل آزمایش متالوگرافی

به منظور انجام آزمایش متالوگرافی ابتدا باید آماده سازی نمونه مورد نظر انجام شود. عملیات های آماده سازی به دو دسته عملیات فیزیکی مانند تمیزکاری و صیقل دادن سطح نمونه و همچنین، یک سری عملیات شیمیایی مانند اچ کردن مرز دانه ها دسته بندی می شود. به طور کلی، مراحل انجام آزمایش متالوگرافی شامل انتخاب نمونه و مقطع زدن ، مانت کردن، پرداخت ابتدایی، پرداخت نهایی (پولیش کردن)، اچ کردن و در نهایت آنالیز میکروسکوپی می باشد که در ادامه به توضیح هر یک از این مراحل پرداخته شده است.

مرحله انتخاب نمونه و مقطع زنی در متالوگرافی

باید توجه شود که نمونه انتخاب شده در آزمایش متالوگرافی باید نماینده کل فلز یا آلیاژ باشد. برای جداسازی نمونه از قطعه مورد نظر، برش یا مقطع زنی انجام می شود. معمولا مقطع زنی با استفاده از برش با اره، دستگاه تراش و یا برش با قوس الکتریکی انجام می شود. لازم به ذکر است که مقطع زنی و برش باید به گونه ای باشد که کمترین آسیب ممکن به نمونه وارد شود.

مرحله مانت کردن در متالوگرافی

به دلیل سختی عملیات تراشکاری و صیقل دادن بر روی نمونه های کوچک، نمونه های متالوگرافی در داخل یک پلیمر یا رزین خاص، مانت کردن (Mounting) انجام می شود. عملیات مانت کردن به دو صورت سرد و گرم انجام می شود. لازم به ذکر است که نتایج حاصل از روش مانت گرم نسبت به مانت سرد بهتر است. چراکه اعمال فشار سبب می شود که حفرات اطراف نمونه بهتر پر شود و نفوذ محلول اچ به آن مناطق تا حد زیادی کاهش یابد.

نمونه های مانت شده

مرحله پرداخت ابتدایی در متالوگرافی

مرحله پرداخت ابتدایی در متالوگرافی ممکن است به حالت های مختلفی انجام شود. گاهی ممکن است از پودرهای کاربید سیلیسیم تعبیه شده بر روی کاغذهای مخصوص برای پرداخت سطح نمونه استفاده شود. در برخی موارد نیز از کاغذهای سنباده زنی از جنس کلسیم کاربید استفاده می شود.

در تمام طول مدت پرداخت ابتدایی، از آب به عنوان روانساز استفاده می شود تا علاوه بر کاهش گرما، ذرات جدا شده از سطح را با خود حمل کند و سطح تمیز بماند. مرحله پرداخت ابتدایی یا همان سنباده زنی خشن تا جایی ادامه دارد که سطح نمونه مورد نظر به خوبی صاف و صیقلی شده باشد و اثرات برش یا خراش ناشی از اره یا سنگ دستی مشاهده نشود.

مرحله پرداخت نهایی در آزمایش متالوگرافی

مرحله پرداخت نهایی یا پولیش کردن از مهم ترین مراحل آماده سازی محسوب می شود. عملیات پولیش معمولا با مواد ساینده ای از جمله اکسید آلومینیوم و اکسیدهای منیزیم دار در حضور آب انجام می شود. مدت زمان پولیش به جنس نمونه، نوع ماده ساینده و سرعت دوران دستگاه بستگی دارد. در واقع، در انتهای مرحله سنباده زنی، قطعه شسته شده و تمام خطوط باقی مانده پولیش می شود. باید توجه شود که در طی عملیات پولیش، نمونه مورد نظر حتما باید حول دیسک پولیش حرکت داده شود تا سطح یکنواختی حاصل شود.

پولیش کردن

مرحله اچ کردن در آزمایش متالوگرافی

در مرحله اچ کردن در آزمایش متالوگرافی از یک اسید یا باز قلیایی ضعیف استفاده می شود و نمونه مورد نظر در داخل آن غوطه ور می شود. از این طریق، سطح نمونه در اسید حل می شود و مرزها و ساختار زمینه ظاهر می شود. همچنین، عملیات اچ کردن با هدف تعیین نوع عملیات حرارتی انجام گرفته روی قطعه، مشاهده فازهای بین فلزی مختلف و ناخالصی های سطحی انجام می شود.

مرحله آنالیز میکروسکوپی

پس از عملیات اچ کردن، نمونه شسته شده و خشک می شود. سپس، آنالیز ریزساختاری نمونه با استفاده از میکروسکوپ نوری (OM)، آنالیز SEM یا آنالیز TEM انجام می شود. هر یک از این میکروسکوپ ها توانایی های مخصوص به خود را دارند. به عنوان مثال، میکروسکوپ های الکترونی نسبت به میکروسکوپ های نوری وضوح و بزرگنمایی بیشتری دارند.ّ

متالوگرافی فولاد

در بررسی میکروسکوپی متالوگرافی فولاد فقط سطح اجسام مورد بررسی قرار می گیرد. تمام آلیاژهای آهن-کربن که دارای کربن کمتر از 2 درصد هستند، فولاد نامیده می شوند. در واقع، متالوگرافی فولاد بخش مهمی از فرآیند کنترل کیفیت کلی در بسیاری از محیط های تولید است. آزمایش های اصلی متالوگرافی فولاد شامل موارد زیر می باشند:

• اندازه گیری اندازه دانه
• بررسی ساختار کلی شامل مقدار مارتنزیت، فریت، پرلیت یا آستنیت
• شناسایی فازهای دلتا فریت و سیگما
• ارزیابی کاربیدها و توزیع آنها
• بررسی جوش ها

علاوه بر این، از متالوگرافی فولاد در آنالیز شکست برای بررسی مکانیزم های خوردگی/اکسیداسیون استفاده می شود.

فازهای مشاهده شده پس از متالوگرافی فولاد

متالوگرافی چدن

چدن، به آلیاژهایی از آهن و کربن گفته می شود که 2.1 الی 6.2 درصد کربن داشته باشند. متالوگرافی چدن با هدف تعیین خواص فیزیکی و مکانیکی آن انجام می شود. مشکل اصلی در آماده سازی نمونه متالوگرافی چدن ، حفظ شکل و اندازه واقعی گرافیت است. به طور خاص، چدن هایی با زمینه فریتی نرم تمایل به لکه دار شدن دارند و مستعد تغییر شکل و خراش هستند.

تصویر حاصل از متالوگرافی چدن

به عنوان مثال، در هنگام عملیات برش برای متالوگرافی چدن سفید، پیشنهاد می شوند که از چرخ برش از جنس نیترید بور مکعبی استفاده شود و برای برش چدن گرافیت دار، به دلیل سختی آن توصیه می شود که از چرخ برش اکسید آلومینیوم استفاده گردد.

متالوگرافی آلومینیوم

متالوگرافی آلومینیوم در کنترل کیفیت ، برای تعیین اندازه دانه و تعیین عیوب ریزساختاری در نمونه های صیقلی و اچ شده استفاده می شود. علاوه بر این، نمونه های حاصل از متالوگرافی آلومینیوم اغلب برای بررسی ناخالصی هایی مانند اکسیدها یا آلومینیدهای زیرکونیوم مورد مطالعه قرار می گیرند.

تصویر حاصل از متالوگرافی آلومینیوم

چالش های متالوگرافی آلومینیوم متاسب با خلوص فلز تغییر می کند. به گونه ای با افزایش خلوص، آلومینیوم نرم تر می شود و در برابر تغییر شکل مکانیکی و خراش حساس تر می شود. همچنین، در آلومینیوم با خلوص بالا، سنگ زنی می تواند باعث تغییر شکل عمیق شود.

متالوگرافی برنج

برنج آلیاژی از مس و روی است که به منظور بررسی خواص ریزساختاری آن، آزمایش متالوگرافی برنج انجام می شود. لازم به ذکر است که برنج از مس قوی تر است و از مس و روی انعطاف پذیری بالاتری دارد. همچنین، برنج رسانای خوبی برای گرما است، خواص صوتی بسیار خوبی دارد و به طور کلی، در برابر خوردگی در آب نمک مقاوم است. به علاوه، می توان با متالوگرافی برنج به صورت کمی، روش های تولید آن را نیز تعیین کرد.

فازهای مشاهده شده پس از متالوگرافی برنج

هزینه متالوگرافی

هزینه متالوگرافی بر اساس نوع آماده سازی درخواستی توسط مشتری ، تعداد نمونه ها و نوع نتیجه خواسته شده از نمونه می تواند متفاوت باشد. به عنوان مثال، آزمون تمیزی فولاد (تعیین ناخالصی) نسبت به خدماتی مانند تعیین متوسط اندازه دانه، عمق لایه دکربوره و یا تعیین ضخامت پوشش با استفاده از آزمایش متالوگرافی هزینه بالاتری را به همراه دارد.