مراحل و علت انجام متالوگرافی  

متالوگرافی (به انگلیسی: Metallography) به علم و هنر آماده سازی نمونه های فلزی و بررسی ریزساختار میکروسکوپی آن ها گفته می شود. در بسیاری از مواد، دانه های تشکیل دهنده آن ها دارای ابعاد میکروسکوپی هستند و قطری در حدود میکرون دارند و اجزای آن ها باید با استفاده از میکروسکوپ ها دیده و بررسی شوند. اما مشکل فقط بزرگنمایی نیست. بلکه سطح ریزساختار نیز باید آماده شود. از آنجایی که در بررسی های میکروسکوپی فقط سطح اجسام مورد بررسی قرار می گیرد، باید سطحی بسیار دقیق جهت دستیابی به اجزاء مهم ریز ساختار فراهم شود. مجموعهٔ فعالیت هایی که منجر به فراهم آمدن چنین سطحی می شود و بررسی میکروسکوپی ریز ساختار را متالوگرافی می نامیم که زیر مجموعه مهندسی و علم مواد قرار می گیرد. سطح نمونه باید در ابتدا ساییده وپولیش شده تا صاف و آینه ای شود که اینکار با استفاده از پودرهای مخصوصی امکان پذیر است. سپس ریز ساختار را می توان با عملیات اچ کردن که از یک ماده شیمیایی مناسب استفاده می شود بدست آورد.

مراحل آماده سازی نمونه متالوگرافی

بعد از انتخاب نمونه مناسب برای کار، متخصصان این امر مراحلی را برای رسیدن به سطحی مناسب طی می کنند که به طور کلی شامل مواردی مثل مقطع زدن، مانت کردن، سمباده کشیدن، پولیش کردن و اچ می شود. در پایان قطعه آماده شده برای آنالیز میکروسکوپی فرستاده می شود.

• مقطع زدن

درست است که در مراحل آماده سازی، گاهی اوقات نمونه در اندازه مناسبی قرار دارد ولی اکثر مواقع به مقطع زدن نیاز خواهد داشت. پس از برش معمولاً در نمونه آسیب هایی به وجود می آید ولی این آسیب ها می توانند به حداقل برسند؛ که این به عواملی مثل نوع ماده ای که نمونه از ان ساخته شده و تکنیک های بکار رفته در برش بستگی دارد. در این میان به مواردی چون فشار، دما، سرعت بریدن، توسعه ترک، تولید گرما، دقت عمل و… که هر یک به نوعی می توانند بر خواص قطعه تأثیر بگذارند نیز باید توجه شود اگر نمونه کوچک باشد برش با تجهیزاتی که در آزمایشگاه های متالوگرافی وجود دارد مثل ماشین های برش، انواع اره های نواری ومویی واره الماسی و دیگر دستگاه ها انجام می شود.

روش های مکانیکی مقطع زدن

1. شکستن:مشکل برش با اره ها یعنی تولید گرما و خراب شدن سطح برش را ندارد و بعد از شکستن باید سطح را صیقل داد و روی آن پرداخت کرد. این فرایند برای برخی فولادهای ترد، سرامیک ها و کاربیدها بکار می رود.
2. قیچی کردن:معمولا ورقه های فولاد کم کربن و دیگر مواد نازک و نرم با این روش قابل برش هستند. با توجه به اینکه مقداری گرما تولید می شود، قیچی کردن تغییر قابل ملاحظه ای در سطح ایجاد می کند و برای موادی که به تغییر شکل های مکانیکی حساسند توصیه نمی شود. اما در کل این نوع برش، ساده، سریع و پربازده است.
3. اره کردن:برای موادی که نرمی آن ها از 350hb بیشتر است استفاده می شود. انواع اره ها می توان به اره های مویی یا سیمی، آهن بر، الماسی و نواری اشاره کرد.
4. برش با دستگاه تراش:رایج ترین روش مقطع زدن است و محبوبیتش بخاطر کیفیت سطح تولید شده و گستره سختی نمونه هایی است که می تواند برش دهد.. در این دستگاه دیسک گردان نازک، ساخته شده از یک ساینده مناسب استفاده می شود. برای خنثی کردن اثر گرمای تولید شده بر سطح مقطع از آب و صابون و دیگر روان سازها استفاده می شود. در این روش حتی کل فرایند برش را زیر روغن مخصوص انجام می دهند خوبی این کار این است که روغن به هیچ وجه در شکاف ایجاد شده نمی سوزد و اثر مخرب بر سطح ندارد.
5. برش با قوس الکتریک:این روش اغلب برایآلیاژهای بسیار سخت استفاده می شود.

از روش های دیگر می توان به برش با میکرو فرز و برش الکتروشیمیایی که هم زمان از اسیدها و اره ها استفاده می کند اشاره کرد.

• نصب (mounting)

اگر نمونه ما کوچک باشد، سالم نگه داشتن آن در طول عملیات برش، تراش و صیقل و … بسیار سخت خواهد بود؛ بنابراین این قطعات کوچک در داخل یک پلیمر یا رزین خاص مونت می شوند تا برای اقدامات بعدی قابل حمل شوند. همچنین مناسب ترین رزین ها برای کار، رزین های اپوکسی و پلی استر هستند که به طور ویژه برای کارهای متالوگرافیک ساخته شده اند. روش دیگری که استفاده می شود نگهداری و ثابت کردن نمونه بین چند گیره و حمل نمونه به وسیلهٔ آن ها ست.

انواع نصب (mounting)

1. نصب سرد (Cold mount): رزین هایی که استفاده می شوند ابتدا مایع هستند و پس از مدت اندکی سخت شده، به جامد تبدیل می گردند. این کار معمولاً با دستگاه هایی که هم زمان چندنمونه را نصب می کند انجام می شود به صورتی که ابتدا قطعه در داخل قالب، روی صفحه صافی گذاشته می شود و از بالا رزین روی آن ریخته می شود. باکمی صبر و تحمل، پس از چند ساعت نمونه ما آماده است.
2. نصب گرم (Hot Mount): از دستگاهی استفاده می شود که هم زمان می تواند فشار و گرما تولید کند. نمونه به همراه پودری پلیمری داخل دستگاه قرار می گیرد و با ایجاد فشار و افزایش دما پودر مایع شده دور قطعه را می گیرد و با فشار ایجاد شده محکم می شود. تماس خوب و دقیق نمونه و پلیمر و ایجاد قالبی صاف و بدون تخلخل از ویژگی های نصب گرم است.

• پرداخت اولیه با سمباده

کاغذهای سمباده دایره ای از جنس کلسیم کاربید روی سطح یک چرخ دوار افقی و تخت چسبانیده می شود و سپس نمونه روی آن گذاشته می شود. البته باید نمونه را با فشاری کنترل شده روی سطح قرار داد در این مدت از آب به عنوان روان ساز استفاده می شود تا ذرات جداشده از سطح نمونه را با خود حمل کند و صحنه را تمییز نگه دارد و گرما را کاهش دهد. در هر یک از مراحل سایش، نمونه به شکلی حرکت داده می شود که خراش ها فقط در یک جهت ایجاد شود و در سایش بعدی، جهت آن عوض می شود.

• پرداخت نهایی یا نرم

مرحلهٔ بسیار حساسی است. در حال حاضر ماده ساینده مورد استفاده برای عملیات پرداخت، پودر الماس است. پودری که در خمیری قابل حل در روغن نگهداری و حمل و نقل می شود، در هنگام استفاده مقدار کمی از این خمیرها بر روی سطح یک چرخ دوار قرار می گیرد که روانساز آن روغنی مخصوص است. سپس نمونه روی محلی خاص و ثابت روی چرخ با فشار زیاد فشرده می شود و هم زمان مخالف جهت چرخش چرخ می گردد. ذرات الماس خاصیت برشی شدیدی دارند و در جدا کردن لایهٔ عمیق تغییر شکل یافته ناشی از سایش های اولیه بسیار مؤثراند. سطح ما بعد از عملیات به شدت صیقلی می شود و اگر با میکروسکوپ نوری آن را بنگریم حالت آینه ای دارند. پرداخت الکتریکی یا الکترو پولیش، نوعی خاص از پرداخت نهایی در فلزاتی نظیر فولاد ضدزنگ، تیتانیم و زیر کونیم که از بین بردن لایه های سطحی اعوجاج یافته بسیار مشکل است پولیش مکانیکی مناسب نیست بنابراین اغلب این مواد توسط روش پرداخت الکتریکی در آخرین مرحله پرداخت می شوند در این حالت نمونه به عنوان آند و یک ماده غیرقابل حل به عنوان کاتد در یک حمام الکترولیتی به صورت مناسب قرار می گیرند چنانچه از دانسیته جریان مناسب استفاده شود می توان سطح نمونه را به صورتی حل کرد که یک سطح پرداخت مناسب تولید شود. این روش معمولاً زمانی بکار می رود که نمونه توان پرداخت بیشتر ویا اچ کردن را ندارد یا اینکه ما قصد اچ کردن نداریم و می خواهیم قطعه را زود آزمایش کنیم.

• تمییز کاری

نمونه ما باید بعد از هر مرحله تمییز شود یعنی باید تمامی باقی مانده های قسمت های پرداخت پاکسازی شود تا از کارایی مراحل بعد نکاهد.. این کار با قرار دادن قطعه زیر آب در حال عبور و سپس تمییز کردن با پمبه یا استفاده از تمیز کاری فراصوت صورت می گیرد. تمیز کاری با استفاده از فراصوت بسیار مؤثر است زیرا حتی باقی مانده های پرداخت در شکاف ها و ترک های ریز را هم تمیز می کند. بعد از تمیز کاری لازم است سطح را با موادی مثل الکل، که نقطه جوش پایینی دارند شست و سپس سریع خشک کرد. ماندن مایعات بر روی نمونه باعث ایجاد لک می شود.

• حکاکی شیمیایی یا اچ کردن

بعد از اتمام مراحل چند گانه پرداخت سطح نمونه زیر میکروسکوپ امتحان می شود و باید ویژگی هایی مثل گودال ها، سوراخ ها، ترک ها و نابجایی ها و … کاملاً قابل تمایز باشند؛ ولی در بسیاری مواقع چنین نیست. یک نمونه پرداخت شده ریز ساختار خود را نشان نمی دهد زیرا نورتابش یافته به سطح به طور مستقیم بازتاب می شود و تفاوت های کوچک در این بازتاب به وسیلهٔ چشم قابل تشخیص نیستند. برخی از ابزارهای تولید تصویر باید بکار گرفته شود که همان اچ کردن یا حکاکی شیمیایی است. هرچنداچ کردن با توجه به کاربردهایش در دیگر زمینه ها مثل هنر انواع مختلفی مثل نوری، شیمیایی، فیزیکی دارد. اما در این زمینه از شیمیایی ان استفاده به نسبت وسیع تری می شود. معمولاً از یک اسید یا باز قلیایی ضعیف استفاده می شود و نمونه را داخل آن فرومیبرند. این کار باعث می شود سطح نمونه در اسید حل شود. این انحلال در مرز دانه ها زود تر اتفاق می افتد و بالا بلندی ها و مرزها به صورت پله هایی کم عمق در سطح ظاهر می شوند.

انواع متالوگرافی

متالوگرافی تحقیقاتی و متالوگرافی کنترل کیفی. از این دو نوع، شاید متالوگرافی تحقیقاتی به دلیل نیاز به شناخت دیاگرام های فازی و دیاگرام های TTT پیچیده تر باشد. از طرف دیگر، متالوگرافی کنترل کیفی برای صنعت بیشترین اهمیت را دارد. در کنترل کیفی، مدت زمان تحویل نمونه برای آماده سازی متالوگرافی تا هنگام ارائه نتایج بسیار پر اهمیت است.