متالوگرافی

[Avenger 19,333]

متالوگرافی

شرح : یک نمونه کوچک که از یک قطعه فولادی جدا شده را در نظر بگیرید که یک سطح تخت مناسب در یک طرف این نمونه بوسیله اره کردن و سنگ زنی آمده شده است روش معمول اینست که این نمونه در یک قرص پلاستیکی با قطر یک اینچ 25 میلیمتر و ضخامت یک دوم اینچ نصب می شود به طوری که سطحی از نمونه که قرار است پولیش شود در یک طرف دیسک قرار بگیرد .دریک روش برای تولید این قرص نمونه در داخل یک قالب ساده استوانه ای قرار داده شده و سپس رزین اپوکسی مایع در داخل قالب ریخته می شود این مراحل به چهار مرحله مختلف طبقه بندی می شود :

1. سایش نرم

2. پرداخت خشن

3.پرداخت نهایی

4. اچ کردن

در سه قسمت اول هدف اصلی کاهش ضخامت لایه تغییر شکل یافته زیر سطح نمونه است عملیّات برش سنگ زنی و سایش فلز نزدیک به سطح را به شدت تغییر شکل می دهند ساختار واقعی فلز تنها زمانی آشکار می شود که لایه تغییر شکل یافته کاملا از روی سطح برداشته شود چون هر مرحله از آماده سازی نمونه نیز به خودی خود باعث تغییر شکل در سطح می شود ، بنابراین در هر مرحله باید از ساینده های نرم تر از قبلی استفاده شود هر ساینده سبب جدا شدن لایه تغییر شکل یافته ناشی از مرحله قبل می شود در حالی که همین ساینده ، یک لایه اعوجاج یافته با عمق کمتر نیز تولید می کند سایش نرم در این مرحله سطح نمونه با استفاده از پودر های کاربید سیلیسیم که بر ریو کاغذ های مخصوص تعبیه شده اند ساییده می شود ممکن است نمونه بصورت دستی روی کاغذ سنباده ای که روی یک سطح تخت نظیر یک تکه شیشه تخت قرار دارد ساییده شود همچنین ممکن است کاغذ سنباده روی سطح یک چرخ دوار افقی و تخت چسبانیده شده و سپس نمونه متالوگرافی روی آن قرار داده شود در هر دو روش معمولا از آب به عنوان یک روانساز استفاده می شود که باعث حمل ذرات جدا شده از سطح نیز می شود سه نوع ساینده با شماده های 320 ،400، 600 که در آنها به ترتیب اندازه ذرات کاربید سیلیسیم برابر 33 ، 23 ، 17 میکرون است مورد استفاده قرار می گیرند در هر یک از مراحل سایش اولیه نمونه بصورتی روی یک سطح حرکت داده می شود که خراش ها فقط دریک جهت تشکیل شود هنگام تعویض یک کاغذ سنباده نمونه به اندازه تقریبی 45 درجه دوران داده می شود که در نتیجه خراش های جدید تشکیل شده در روی سطح با خراش های قبلی زاویه می سازند سایش تا زمانی ادامه می یابد که خراش های تشکیل شده از مراحل قبل ناپدید شوند.پرداخت خشن این مرحله بسیار حساس است در حال حاضر ماده ساینده مورد استفاده برای عملیات پرداخت خشن پودر الماس با اندازه دانه تقریبی 6 میکرون است پودر الماس در خمیری قابل حل در روغن نگه داری و حمل نقل می شود در این مرحله مقدار کمی از این خمیر بر روی سطح یک چرخ دوار که با یک پارچه نایلونی پوشیده است قرار می گیرد روانساز مورد استفاده در حین عملیات پرداخت روغنی مخصوص است نمونه روس چرخ دوار با فشار قابل ملاحظه ای فشار داده می شود در طول این مرحله نمونه در یک محل خاص و ثابت روی چرخ دوار با فشار قابل ملاحظه ای فشار داده می شود در طول این مرحله نمونه در یک محل خاص ثابت روی چرخ پرداخت نگه داشته نمی شود و د حول چرخ و در جهت مخالف دوران چرخ حرکت داده می شود در نتیجه عمل پرداخت با یکنواختی بالایی انجام می شود ذرات الماس خاصیت داده می شود در نتیجه عمل پرداخت با یکنواختی بالایی انجام می شود ذرات الماس خاصیت برش شدیدی داشته و در جدا کردن لایه عمیق تغییر شکل یافته ناشی از عملیات سایش اولیه بسیار موثرند پودر الماس 6میکرون قادر به جدا سازی لایه تغییر شکل یافته حاصل از ساینده کاربید سیلیسیم 17 میکرونی در مرحله آخر سایش اولیه است پرداخت نهایی در این مرحله خراش های ظریف و لایه های اعوجاج یافته بسیار ریز که از مرحله پرداخت خشن باقی مانده اند جدا می شوند ماده پرداخت مورد استفاده اغلب پودر آلومینا از نوع گاما با اندازه دانه 05/0 میکرون است این پودر روی یک چرخ دوار پوشیده شده با پارچه ریخته شده و از آب مقطر به عنوان رونساز استفاده می شود بر خلاف پارچه نایلونی بدون پرز استفاده شده در پولیش خشن ، پارچه مورد استفاده در مرحله عموما پرزدار است چنانچه این مرحله و مرحله قبلی با دقت کافی انجام شوند ، سطحی عاری از خراش و تقریبا بدون هیچ لایه فلزی اعوجاج یافته قابل تشخیص تشکیل می شود اچ کردن معمولا در نمونه متالوگرافی ساختار داده ها پس از پایان عملیات پرداخت نهایی در زیر میکروسکوپ مشخص نیست ضخامت مرز دانه های یک فلز در بهترین حالت در حد ضخامت چند اتم است در حالی که توان آشکار سازی یک میکروسکوپ بسیار کمتر از حد لازم برای تشخیص آنهاست تنها در فلزی که بلور هایی با رنگ های مختلف در تماس با یکدیگر باشند ، قابل رویت ساختن مرز دانه ها نمونه های متالوگرافی اچ می شوند که این عملیات با فرو بردن سطح نمونه پولیش شده در یک محلول اچ ضعیف اسیدی یا قلیایی انجام می شود رایج ترین محلول مورد استفاده برای فولاد های نایتال نام دارد که محتوی محلول 2% اسید نیتریک در الکل است در بعضی حالات می توان عمل اچ را توسط مالش ملایم یک تکه پنبه آغشته به محلول اچ بر روی سطح انجام داد در هر صورت در نتیجه این عمل مقداری از سطح فلز حل شده و از سطح خارج می شود چنانچه محلول اچ مورد استفاده مناسب باشد سطح فلز بصورت یکنواخت حل نمی شود گاهی عامل اچ کننده به مرز دانه ها سریع تر از سطح دانه ها حمله می کند سایر محلول سایر محلول های اچ ، دانه های مختلف را بر اساس جهت گیری آن ها حل خواهند کردپس از اچ کردن مرز ها به صورت پله هایی کم عمق در سطح ظاهر می شوند جداره های عمودی این پله ها نور را همانند سطوح بلوری نسبتا صاف به عدسی های شیئ میکروسکوپ منعکس نمی کنند و در نتیجه محل مرز بلوری در زیر میکروسکوپ قابل رویت می شوند پرداخت الکتریکی و اچ الکتریکی در فلزاتی نظیر فولاد زنگ نزن 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 غیر قابل 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 در روش پرداخت الکتریکی حمام و دانسیته جریان باید به صورت مجزا طوری کنترل شوند که سطحی صاف و بودن پستی و بلندی تولید شود همچنین با تغییر ترکیب شیمیایی حمام و دانسیته جریان می توان سطحی با پستی بلندی های مناسب عملیات اچ را تولید کرد به این مراحل پرداخت الکتریکی گویند.

[Avenger 19,333]

شرح هر یک از مراحل آماده سازی قطعه:

نمونه برداری

سنباده زنی

پرداخت کاری

و اچ کردن.

نمونه برداري :مقوله نمونه برداري که تابع زمان ، مکان ، تعداد نمونه لازم براي دستيابي به يک نتيجه تکرار پذير و . . . است ، از زمره کارهايي است که امروزه در اکثر نقاط جهان به صورت دستورالعمل درآمده و لازم الاجرا است . در متالورژي بحث نمونه برداري در دو بخش پژوهشي و صنعتي خلاصه مي شود . مقصود پژوهشگر از تهيه يک نمونه در يک کار پژوهشي ، بررسي خواص آن قبل از ساخت و توليد انبوه است ، در حالي که نمونه برداري صنعتي به منظور بررسي خواص و حصول اطلاعات لازم و کافي در مورد محصولات يک فرآيند توليد خاص قابل کنترل مي باشد ، مانند يافتن علل عيوب در قطعات ريختگي .در اين صورت نمونه برداري از آنجا اهميت بسزايي مي يابد که مي بايد نماينده شايسته اي ازکل محصولات توليدي باشد که با شرايط يکسان توليد شده اند .

نمونه متالوگرافي :يک نمونه متالوگرافي مطلوب براي مطالعات ميکروسکوپي و ماکروسکوپي ساختار ، به درستي و با دقت انتخاب شده و از سطح مناسبي برخوردار است به منظور بررسي دقيق تر جزئيات ساختاري ، لازم است که سطح نمونه عاري از هر گونه تغيرات ناشي از عمليات نمونه برداري و آماده سازي نمونه بوده ، فاقد هر گونه لکه ، خراش و تغيير شکل باشد . در مواردي خاص نيز بايد لبه يا نوک نمونه ها محافظت گردد . تهيه و آماده سازي نادرست و نامناسب مي تواند به نتايج غلط منجر گردد.

برش و مقطع زدن :جدا سازي يک تکه کوچک ( نمونه) از قطعه اولين مرحله از فرآيند آماده سازي نمونه بوده و از اهميت شاياني برخوردار است . بريدن نمونه از قطعه مي بايد از مکاني صورت گيرد که سطحي مناسب و واقعي از قطعه را نمايان ساخته و بتواند نماينده قطعه و مبين ساختار عمومي آن باشد . اين امر به مشخصات قطعه ، روش پژوهش و اهداف مورد نظر نيز بستگي دارد . در اين ميان به مواردي چون فشار ، دما ، سرعت بريدن ، توسعه ترک ، توليد گرما ( و در نتيجه تبلور مجدد ، باز پخت موضعي و گاهي ذوب موضعي ) ، دقت عمل و غيره ، که هر يک به نوعي مي توانند بر خواص قطعه تاثير بگذارند نيز توجه خواهد شد . کمک گرفتن از يک روانکار و يا خنک کننده مي تواند اين اثرات را به حداقل برساند.

انواع روشهاي برش به سه دسته تقسيم مي شوند

: برش مکانيکي

برش با قوس الکتريکي

برش الکتروشيميايي

 

برش مکانيکي :

برش مکانيکي به طرق مختلف امکان پذير است . در روش برشي سايشي – که يکي از روش هاي برش مکانيکي است – با استفاده از يک صفحه گردنده با دور بالا در زمان کوتاهي ، با دقت مناسبي نمونه بريده مي شود . در بسياري موارد با استفاده از سيم و يا اره الماسه ، با حرکت گردشي مناسب ، مي توان عمل بريدن نمونه را در حد مطلوب به انجام رساند . گاهي نيز با يک قلم تيز که با امواج مافوق صوت عمل مي کند ، مي توان عمليات نمونه برداري در شرايط خاص را آسان نمود.

 

برش با قوس الکتريک :

ماشيني که براي اين نوع برش ساخته شده است ، به نام اسپارک سيمي و يا اسپارک صفحه اي خوانده مي شود . در اين روش به منظور جلوگيري از افزايش دما هنگام برش ، عمليات برش داخل روغن انجام مي گيرد . اين روش اغلب براي آلياژهاي بسيار سخت استفاده مي شود . سطح بريده شده با اين روش بسيار صاف بوده و عمليات بعدي آماده سازي نمونه را تسهيل مي نمايد . شايان ذکر است از اين روش اخير براي بريدن لايه هاي بسيار نازک از قطعه به عنوان نمونه نيز استفاده مي شود.

 

برش الکتروشيميايي :

در اين روش ضمن بريدن با فرز يا اره ، مايع خنک کننده اسيد خورنده اي است که در يک مدار الکتريکي ، بريدن نمونه را سرعت بخشيده و کار بريدن نمونه در زمان کوتاهي به اتمام مي رسد . گاهي اوقات با استفاده از يک افشانه ( جت ) محلول خورنده را با شتاب بر روي قسمتي که بايد بريده شود پرتاب مي کنند . در اين صورت جريان الکتريسته موجود نيز کمک نموده و خوردگي چنان سرعت مي گيرد که مي توان نمونه را به راحتي و سريع از قطعه مورد نظر جدا ساخت.

نمونه گير : نمونه تهيه شده براي مطالعات متالوگرافي با ميکروسکوپ، کوچک بوده وتا قبل از رسيدن به بررسي هاي ميکروسکوپي کارهاي زيادي بر روي آن صورت مي گيرد . بنا بر اين لازم است که نمونه توسط يک نمونه گير طوري تحت کنترل و ثابت باشد که کار کردن بر روي آن با سهولت انجام شود . جنس نمونه گير ها معمولا از فولاد نرم ، فولاد ضد زنگ ، آلياژهاي آلومينيوم و آلياژهاي مس مي باشد.

 

مانتينگ : در بيشتر موارد ترجيح داده مي شود که نمونه در يک ماده غير فلزي مانند شيشه ، پلاستيک و يا رزين جاي داده شود . اين عمل مانتينگ نام دارد و به روش هاي گوناگوني صورت مي پذيرد . مانتينگ نمونه زماني که نمونه نا منظم ، کوچک ، خيلي نرم ، خيلي ترد و يا متخلخل باشد و يا اينکه نياز به حفظ لبه هاي آن احساس شود ، لازم و ضرورري است . فرو بردن نمونه در مواد پلاستيک پر کاربرد ترين روش مانتينگ در متالوگرافي مي باشد که به دو روش مانت گرم و سرد انجام مي پذيرد :مانت گرم = رزين + فشار + گرمامانت سرد = رزين ( مونومر ) + کاتاليستدر روش مانت گرم از دستگاهي استفاده مي شود که بتواند پس از قرار دادن نمونه در داخل مواد ، دمايي در حدود 150 درجه سانتي گراد و فشاري حدود 29 مگاپاسکال ايجاد نمايد . در اثر فشار و گرما ، پودر رزين سفت شده و نمونه را در خود حبس مي کند . رزين هاي گرما سخت (Thermosetting) مانند فنل ها ، با گذشت زمان به طور يک طرفه سخت مي شوند . رزين هاي گرما نرم ( Thermoplastic) با کاهش درجه حرارت و تحت فشار منجمد و سخت مي گردند ، اما قابليت ذوب مجدد را دارا مي باشند.

 

علامت گذاري بر روي نمونه : نمونه ها در صورتي قابل استفاده دوباره مي باشند که علامت گذارده شده بر روي آنها در تمام مدت آماده سازي و مطالعه ميکروسکوپي به وضوح قابل رويت بوده و هويت آنها گم نشود . علامت گذاري بر روي نمونه مي بايست بر روي سطحي انجام شود که مورد متالوگرافي قرار نميگيرد . در مورد نمونه هايي که مانت مي شوند ، مي توان روي ماده مانت علامت گذاري نمود . در هنگام استفاده از مانت هاي شفاف ( شيشه اي ) نيز مشخصات نمونه روي يک تکه کاغذ نوشته شده و طوري همراه نمونه قالب گيري مي شود که نوشته قابل خواندن باشد سنباده زني و پرداختدر تهيه نمونه هاي متالوگرافي از نمونه هاي نا هموار ، استفاده از سنباده هاي درشت تا ريز مطلوب مي باشد . سنباده زني موجب صاف شدن سطح ، از بين رفتن لايه هاي نا خواسته و هويدا شدن لايه هاي مورد نظر مي شود . سنباده خشن باعث از بين رفتن سطوح و برجستگي هاي نا مطلوب شده و يک سطح صاف با زبري 10 تا 100 ميکرومتر را به وجود مي آورد . زبري اين سطح با استفاده از سنباده هاي نرم تر به حدود 1تا 10 ميکرو متر مي رسد . اگرچه عمليات سنباده زني يک سطح صاف ايجاد مي کند اما اين سطح فقط براي آزمايش هاي ماکروسکوپي ( نظير سختي سنجي ) و يا ماکرواچ مناسب مي باشد . به دليل عدم وجود يک مرز مشخص ميان سنباده زني و پرداخت کاري ، همواره يک ارتباط نزديک و قابل توجه بين سنباده زني نرم و پرداخت کاري سخت وجود دارد و به همين علت دو بحث سنباده زني و پرداخت کاري با هم مورد بحث قرار مي گيرند.

 

سنباده زني و پرداخت کاري مکانيکي :متداول ترين روش سنباده زني و پرداخت کاري روش مکانيکي است . اين عمل با استفاده از سنباده ثابت ، سنباده متحرک ، صفحه گردان و يا تسمه هاي چرخشي انجام مي شود . هدف از سنباده زني که عموما مرحله به مرحله زبري سنباده را کاهش مي دهند ، به دست آوردن يک سطح صاف بدون شيار و تغيير شکل در سطح نمونه است . تنوع مکان ها در سطح نمونه موجب اختلاف هايي در خواصي نظير پتانسيل الکتروشيميايي مي گردد . به عنوان مثال مناطقي که بيشترين ميزان تغيير شکل را دارند ، بيشترين واکنش را با محلول هاي اچ نشان مي دهند. در نتيجه با سرعت بيشتري حل مي شوند . اين ناصافي ها به دليل وجود خراش هايي در سطح نمونه پرداخت شده بعد از اچ بوده و مبين يک آماده سازي نامناسب است . مجموع عمق خراش ها و منطقه تغيير شکل يافته ، معادل عمق کل منطقه معيوب در نمونه مي باشد .از بين برد خراش هاي ظاهري از سطح نمونه به تنهايي کافي نيست ، بلکه بايد به همان ميزان لايه هاي تغيير شکل يافته نيز از ميان برداشته شوند . به جاي سنباده هاي خشن بايد از سنباده هاي نرو و دانه ريز استفاده نمود ، زيرا با سنباده زني خشن تمايل به تغير شکل بيشتر مي باشد

.سنباده زني و پرداخت کاري تر :در برخي از موارد ، آماده سازي نمونه در هوا يا در محيط گاز خنثي و بدون حضور مايعات صورت مي گيرد . اما اين موارد نادر بوده و در آماده سازي نمونه به مايعاتي چون آب ، به عنوان خنک کننده و پراکنده کننده ذرات نياز است تا موجب سنباده زني و پرداخت کاري راحت تر و يکنواخت تري گردد . سنباده زني و پرداخت کاري تر مزاياي زيادي دارد که از جمله آنها مي توان به موارد زير اشاره نمود :

کنترل حرارت در فصل مشترک نمونه با سنباده

دور ساختن ذرات نامناسب از روي نمونه

افزايش طول عمر براي سنباده هاي ثابت.

فشار ، زمان و سرعتسنباده زني و پرداخت کاري :افزايش فشار ، زمان و سرعت عموما به کنده شدن سريعتر مواد منجر مي شوند .تاثير اين عوامل بر تغيير شکل به صورت زير متغير است :افزايش فشار ممکن است به توليد گرما منجر گشته و در نتيجه اثرات و تغييراتي بر ريز ساختار بر جاي گذارد . فشار ، به خصوص در هنگام پرداخت کاري ، نبايد بيش از حد زياد باشد.

به طور کلي هرچه زمان سنباده زني کوتاه تر وزمان پرداخت کاري بلند تر باشد ، بهتر است.

با افزايش سختي نمونه ، از سرعت کمتر سنباده زني و پرداخت کاري استفاده به عمل مي آيد . البته اين نکته عموميت نداشته و براي برخي مواد مانند سراميک ها ، ترکيبات بين فلزي و کاربيدهاي سيماني ، عمدتا سرعت پرداخت کاري بالاتر ترجيح داده مي شود.

به دليل آن که افزايش سرعت سنباده زني و پرداخت کاري موجب توليد گرماي زيادي در سطح مي گردد ، مواد حساس به گرما بايد با سرعت هاي پايين تري پرداخت گردند و يا در حين عمل از خنک کننده بيشتري استفاده شود.

حرکت نمونهبر روي سطح ساينده :براي دريافت بهترين نتيجه ، بايد سطح پهن تر نمونه انتخاب گشته ، در تمام مدت عمليات ثابت نگه داشته شده و روي سطح ساينده قرار گيرد. به منظور جلوگيري از تشکيل شيار هاي جهت دار ناشي از سنباده و پرداخت بر روي نمونه ، بهترين کار اين است که نمونه بعد از هر مرحله به اندازه 90 درجه چرخانده شود . در مواقع استفاده از سنباده يا پرداخت کنده چرخان ، چرخش نمونه در خلاف جهت چرخش چرخ ، موجب جلوگيري از تشکيل اثرات جهت دار چرخ سنباده يا پرداخت بر روي سطح نمونه مي گردد.