متالوگرافي چيست؟

[داوود]

امروزه ، خيلي بيشتر از گذشته ، به طبقه بندي كيفي مواد براي كنترل مواد ناخواسته نياز داريم. بدون يك كنترل دقيق، خريدار بايد با فرض اينكه فروشنده مواد مورد نياز او را عرضه نموده است، اقدام به خريد نمايد. براي مثال يك مشتري فولا نورد سرد شده SAE 1060 را سفارش داده ودر عوض فولاد نورد سرد شده SAE 1030 را دريافت نمايد، سختي سطحي آن قابل قبول بوده ولي در مغز سختي مورد نظر را بدست نخواهد آورد. او پرسنل عمليات حرارتي را به دليل عدم انجام سيكل عمليات حرارتي مناسب مقصر مي داند ، حال آنكه مقصر اصلي شخص ديگري مي باشد. در جاي ديگر، مشتري كلاس خاصي از فولاد را سفارش داده است، ولي ناگهان سري جديد فولاد ارسالي مطابق با خواسته هاي او عمل نمي كند. اندازه گيري دانه فولاد ارسالي نشان مي دهد كه اندازه دانه خيلي بزرگتر از محموله هاي قبلي از همين نوع فولاد مي باشد. تفاوتهاي زيادي در اندازه دانه خيلي بزرگتر از محموله هاي قبلي از همين نوع فولاد مي باشد. تفاوتهاي زيادي در اندازه دانه بر رفتار ماده تاثير خواهد گذاشت. در نتيجه، امروزه مشتريان اندازه دانه را مطابق با استاندارد مربوطه مشخص مي كنند. مواردي از اين قبيل بسيار اتفاق افتاده و مي تواند به آساني با بازرسي كنترلي مواد ارسالي از طريق متالوگرافي از آن جلوگيري شود.
از طرفي ديگر براي بررسي ساختاري آلياژها وفلزات بعداز عمليات حرارتي، تعيين عمق لايه سخت شده، اندازه كيري ضخامت لايه پوششي و بسياري از موارد ديگر از فرآيندهاي متالوگرافي استفاده مي گردد.

تعريف متالوگرافي :
متالوگرافي، آماده سازي نمونه ها براي بررسيهاي ميكروسكپي و مطالعه ريز ساختار به منظور تعيين خواص فيزيكي و مكانيكي آن آلياژ خاص مي باشد. اين بررسي ساختاري در محدوده وسيعي ازبزرگنمايي اندك 20x تا يزرگنماييهاي بيشتر از 1000000x در ميكروسكپهاي الكتروني، صورت مي گيريد. آناليز ريز ساختار متالوگرافي ماده در تعيين صحيح بودن فرآيند توليد ماده نقش اساسي داشته و از اين رو بخشي جدانشدني از مرحله تضمين كيفيت محصول مي باشد. علم متالوگرافي در شاخه هاي مختلف صنعتي نظير توليد فولاد، پوشش دهي، عمليات حرارتي، متالورژي پودر، سراميكها، پلاستيكها، كامپوزيت، خواص مكانيكي و ... نقش كليدي و مهم داشته و آشنايي با اين علم براي اكثر مهندسين امري ضروري مي باشد.
براي تهيه نمونه هاي متالوگرافي سه فرآيند مختلف انجام مي گيرد :
1. آماده سازي ( برش، مانت و سنباده زني )
2. پوليش و اچ و ...
3. بررسيهاي ميكروسكپي .

[داوود]

آماده سازي نمونه متالوگرافي
كليد دستيابي به تفسيري دقيق از يك ريزساختار، آماده سازي صحيح نمونه از ماده تحت آزمايش مي باشد. بنا به تعريف، سطح متالوگرافي آماده شده به روش صحيح بايد موارد زير را تأمين نمايد:
صاف و عاري از خراش، شكاف، زنگ و ساير آلودگيهايي باشد كه به سطح صدمه مي زنند،
حاوي كليه آخالهاي غير فلزي سالم باشد،
عدم وجود هرگونه براده يا تراشه ناشي از تركيبات بين فلزي سخت وترد و
عاري از هرگونه اثرات فلزات مزاحم باشد.

مراحل آماده سازي عبارتند از :
1. برش ( Sectioning )
2. سنباده زني خشن ( Coarse grinding )
3. ماننت ( Mounting )
4. سنباده زني نرم يا ظريف / پوليش اوليه ( Fine grinding )
5. پوليش خشن يا زبر ( Rough polishing ) يا پوليش مياني
6. پوليش نهايي ( Final polishing )
7. اچ ( Etch )


عمليات برش
از هر 10 قطعه رسيده به آزمايشگاه متالوگرافي در مرحله آماده سازي ، 9 قطعه يا خيلي بزرگ و يا خيلي كوچك مي باشند. در اكثر اوقات، قطعات جزء دسته خيلي بزرگ هستند. از اين رو، نياز به تهيه نمونه كوچكي از قطعات براي انجام عمليات بعدي مي باشد. اين كار نيازمند استفاده از يكي از عمليات برشكاري است. برشكاري اولين مرحله از يك عمليات آماده سازي نمونه مي باشد. عمليات برش مرحله است كه بايد دقت و مراقبت خاصي بر روي آن صورت گيرد. مهمترين نكته در اين عمليات، برش نمونه به شكلي است كه فرآيند برش بر روي آن تأثير نگذارد. عمليات نادرست باعث انهدام نمونه و عدم امكان انجام ساير فرآيندهاي آتي متالوگرافي خواهد شد. براي دستيابي به قطعه كوچك از يك مقطع بزرگ روشهاي گوناگوني وجود دارد :
شكستن ( Fracturing )
اره نمودن ( Sawing )
با چرخ ساينده ( Abrasive wheel sectioning )


سنباده زني خشن
هدف از سنباده زني خشن، يا سنگ زني حذف تغيير شكل ايجاد شده در حين عمليات برش و مهيا نمودن سطح صاف و هموار اوليه براي عمليات سنباده زني نرم مي باشد. اين فرآيند به وسيله سنگهاي سنباده زني يا چرخهاي دوار ديسكي شكل صورت مي گيرد. محدوده اندازه ذرات برشي 50 – 180 grit است. براي جلوگيري از گرم شدن بيش از حد نمونه و دور نمودن براده هاي ايجاد شده از سطح و حفظ تيزي دانه هاي ساينده مي توان از آب بعنوان يك ماده خنك كننده استفاده نمود. چرخهاي دوار ديسكي شكل و سنگ هاي سنباده زني از جنس كاربيد سيلسيم و اكسيد آلومينيم با چسب رزيني براي عملياتهاي تر يا خشك موجود مي باشند. مواد روكش شده با گارنت تنها با چسب موجود بوده وبراي مصارف خشك ساخته شده اند. ساينده هاي الماسي نيز براي سنگ زني وجود دارند.

[داوود]

1. مانت كردن
هدف اصلي از مانت كردن نمونه هاي متالوگرافي تسهيل جابجايي نمونه هايي با اشكال و اندازه هاي مختلف در حين مراحل بعدي آماده سازي و تحقيق مي باشد. هدف ديگر از اين عمليات حفط دقيق لبه ها وعيوب سطحي در هنگام آماده سازي است. بعلاوه ممكن است نمونه ها براي تطابق يافتن با ساير تجهيزات اتوماتيك مورد استفاده در آزمايشگاه متالوگرافي يا تسهيل قرار گرفتن در ميكروسكوپ به مانت نياز داشته باشند. مزيت ديگر مانت دراين است كه مي توان نمونه هاي مانت شده را بر اساس نام، شماره آلياژ يا كد آزمايشگاهي درج شده بر روي بدنه مانت ( در عوض صدمه زدن به سطح نمونه ) دسته بندي و ذخيره نمود.

اندازه و شكل مانت
روشهاي مانت كردن
‌أ) مانت گيره اي ( Clamp mounting )
‌ب) مانت فشاري ( Compression mounting )
‌ج) مانت سرد ( Cold mounting )
‌د) مانت رسانا ( Condutive mounting )

سنباده زني
هدف از سنباده زني حذف تغيير شكل ناشي از عمليات برش مي باشد. به عبارت ديگر سنباده زني يكي از مهمترين مراحل در فرآيند آماده سازي نمونه است. زيرا در طول اين مرحله اپراتور متالوگرافي فرصت به حداقل رساندن صدمات مكانيك وارد بر سطح از مرحله برش را خواهد داشت. حتي اگر مرحله برش با بي دقتي زياد انجام شود ( سطحي بسيار تغيير شكل يافته با خراشهاي عميق خواهد بود ) مي توان اين صدمات را با افزايش زمان مرحله سنباده زني بر طرف نمود.
سنباده زني را مي توان با انواع مختلف ساينده ها انجام داد كه عبارتند از :
كاربيد سيلسيم ( Carborundum )
اكسيد آلومينيم ( Corundum )
سنگ سنباده ( تركيبي كامپوزيتي از اكسيد آهن ( III ) و اكسيد آلومينيم
ذرات الماس
براي انجام مراحل سنباده زني به روش صحيح بايد نكات زير را رعايت نماييد:
در مراحل مختلف سنباده زني از آب ( يا مواد ديگر خنك كننده ) استفاده نماييد.
در بين مراحل سنباده زني نمونه را 45 – 90 درجه بچرخانيد،ژ
در هر مرحله با بازرسي چشمي يكنواختي خراش هاي روي سطح مانت با سطح نمونه را بررسي نماييد و
هيچگاه سعي ننماييد كه نمونه هاي بيشماري را برزوي يك كاغذ سنباده ، سنباده كاري نماييد ( خصوصاً در سنباده هايي با اندازه ذرات كوچكتر )

[داوود]

پوليش
با وجود اينكه دستورالعملهاي برش، مانت و سنباده زني معمولاً در بيشتر آزمايشگاههاي متالوگرافي استاندارد مي باشند، تكنيكهاي پوليش مي توانند به مقدار قابل ملاحظه اي از يك آزمايشگاه تا آزمايشگاه ديگر تغيير نمايند. به عنوان نمونه، يك آزمايشگاه ممكن است از پنج مرحله پوليش بعد از آخرين مرحله سنباده زني استفاده نمايد، در حالي كه در آزمايشگاه هاي ديگر تعداد مراحل دو يا سه مي باشد. بيشتر اوقات تعداد مراحل پوليش دريك آزمايشگاه نتيجه دستورالعملهايي است كه از سالها پيش ايجاد شده و مربوط به اواخر دهه 1930 هستند كه دوران طفوليت علم متالوگرافي مي باشد. آزمايشگاههايي كه تنها از دو مرحله پوليش استفاده مي كنند، نه تنها سرعت عمل را بركيفيت مقدم نمي شمارند، بلكه كيفيت سطحي آنها نيز با لاتر از آزمايشگاههاي با پنج مرحله پوليش مي باشد. از آنجايي كه تعداد مراحل پوليش كمتر مي باشد، در صورتي كه مدت زمان مراحل حداقل باشد، مشكل فراپوليش مرتفع خواهد شد. اگر زمان پوليش بش از حد باشد، امكان وقوع فراپوليشي حتي در يك مرحله پوليش نيز وجود دارد. فرآيند پوليش آخرين مرحله از آماده سازي نمونه هاي متالوگرافي براي بررسي ميكروسكوپي است. اين مرحله شامل پوشاندن چرخ پوليش كاري با پارچه اي مناسب، استفاده از ماده و روانكاري مناسب و انجام عمليات پوليش تا زمان برطرف شدن كليه اثرات مرحله قبلي از روي سطح نمونه است. هدف از عمليات پوليش حذف خراشهاي سنباده زني و لايه تغيير شكل يافته سطحي به سبب استفاده از فرآيند هاي سنباده زني مي باشد.

[داوود]

فرآيند هاي پوليش به دو دسته تقسيم مي شوند:
مرحله ( يا مراحل ) پوليش بلافاصله بعداز سنباده زني نهايي ، پوليش مياني و آخرين مرحله پوليش كه بسيار مهم است، پوليش نهايي ناميده مي شود. پوليش مياني ممكن است با استفاده از آلفا – آلومينا يا تركيبات الماسه صورت گيرد.

پوليش نهايي
نتايج پوليش نهايي در استفاده از گاما آلوميناي 0.05 ميكروني و پارچه با پرز متوسط بهترين حالت است. اين دستورالعمل جهاني بوده و نسبت به مرحله مياني تغييرات كمتري درآن رخ مي دهد. بسياري از آزمايشگاهها بعداز سنبه زني از دو مرحله پوليش استفاده مي كنند : پوليش الماسه 1 ميكروني بر روي پارچه نمدي قرمز و پوليش گاما آلوميناي 0.05 ميكروني بر روي پارچه اي با پرز متوسط. درصورت انجام سنباده زني مناسب با پوليش الماسه به 90- 60 ثانيه زمان براي حذف خراشهاي ناشي از سنباده 600 نياز است. سرعت چرخ پوليش بايد حدود rpm 250 باشد. پوليش نهايي با گاما آلومينا به مدت زماني مشابه نياز دارد ولي سرعت چرخ بايد كمتر و حدود 100 – 150 rpm باشد. ساير ساينده هايي كه براي پوليش نهايي استفاده مي شوند، عبارتند از : اكسيد آهن (III) يا گرد زنگ آهن، اكسيد منيزيم، سيليس كلوئيدي و اكسيدهاي فلزات خاكي كمياب. اين موارد به دليل مزايايشان در برخي از فرآيندها بر گاما آلومينا ترجيح داده مي شوند.


اچ
متالوگرافي هم علم است، هم هنر و جنبه هنري آن در اچ مشخص مي گردد. سطح پوليش شده يك نمونه فلزي شبيه به يك بوم نقاشي سفيد است كه براي نقاشي تصويري بر روي آن به وسيله يك هنرمند انتظار مي كشد. اپراتور متالوگرافي با اسيدها، بازها، محلول هاي قليايي يا هر تركيب ديگر به جاي روغنها، رنگهاي اكريليكي يا آبرنگ اين كار را انجام مي دهد. يك نمونه اچ شده به واقع شبيه يك كار هنري است. گرچه ممكن است اطلاعات دقيق از نمونه هاي پوليش شده بدست آيد، ولي به طور معمول فقط ريزساختار بعداز اچ قابل رؤيت هستند.در بازرسي ميكروسكوپي نمونه ها پوليش شده فقط خصوصياتي از قبيل تخلخل، نوع و نحوه توليد آخال، لايه هاي اكسيداسيون و ترك خوردگي را مي توان مشاهده نمود. اگر هدف از متالوگرافي يررسي اين خصوصيات باشد، حالت پوليش شده بهترين است، زيرا ريزساختارهاي اچ شده مانع از ديدن آنها مي شوند، ولي، بيشتر اوقات تشخيص نوع ترك خوردگي مشاهده شده ( بين دانه اي يا درون دانه اي ) مطلوب است و يا براي يافتن پاسخ اين موارد، اچ نمودن سطح نمونه ضروري است.
عمليات اچ را مي توان به چندين روش انجام داد :
1. اچ نوري ( Optical etching )
2. اچ شيميايي ( Chemical etching )
3. اچ الكتروليتي ( Electroly etching )
4. اچ كاتدي ( Cathodic etching

[داوود]

تميزكاري
تميز كاري – يكي از مهمترين مراحل در آماده سازي نمونه مي باشد. نتايج نهايي دلسرد كننده و نامناسب اغلب ناشي از بي دقتي در مرحله تميزكاري هستند. نمونه ها بايد مابين كليه مراحل آماده سازي به دقت تميز شوند، تا از انتقال ذرات ساينده درشت تر مرحله قبلي به مرحله بعدي ( ذرات ساينده ريزتر ) جلوگيري بعمل آيد. بعلاوه نقش تميز كاري شامل دستهاي اپراتور متالوگرافي و تجهيزات كاربردي نيز مي شوند. چيدمان آزمايشگاه بايد به گونه اي باشد كه مراحل با ذرات ساينده درشت از مراحل با ذرات ساينده ريز ايزوله شوند. چرخهاي پوليش كاري بايد در زمان عدم استفاده پوشيده شوند. همچنين بايد مدت زمان كوتاهي در انتهاي هر روز كاري كليه تجهيزات متالوگرافي اختصاص داده شود.
1. تميز كاري آلتراسونيك ( Ultrasonic cleaning )
مؤثرترين سيستم تميزكاري براي حل مشكلات كثيفي موجود در فرآيند آماده سازي نمونه مي باشد. فركانسهاي بالاتر دستگاه ، نتايج بهتري به دنبال خواهند داشت . استفاده از محلولهاي آمونياكي پيشنهاد نمي گردد، زيرا باعث اچ شدن بيشتر مواد مي گردند.
2. آب سرد و پارچه نخي
روش جايگزين تميزكاري آلتراسونيك ( در صورتي كه وجود نداشته باشد ) استفاده ار آب سرد و پارچه نخي مي باشد.
3. خشك كردن
خشك كردن صحيح يك سطح بعداز تميز كاري يا اچ بسيار مهم مي باشد. براي جلوگيري از زنگ زدگي يا خوردگي، نمونه بايد سريعاً خشك شود. بعداز شستشو، نمونه در الكل آزمايشگاهي ( كيفيت بالا ) غوطه ور شده و در جريان هواي گرم وخشك ، خشك مي گردد.


عيوب متالوگرافي
اكثر عيوب موجود در متالوگرافي مربوط به مرحله آماده سازي مي باشد. در بخشهاي زير عيوب متداول در مراحل آماده سازي، علل ايجاد و راههاي حل آنها آورده مي شود.

خراشها ( Scratches )
خراشها، شيارهايي در سطح يك نمونه هستند كه ناشي از اثرات ذرات ساينده مي باشند براي حل اين مشكل به نكات زير توجه نماييد :
1. اطمينان حاصل نماييد كه سطح كليه نمونه ها بعداز سنباده زني خشن داراي خراشهاي يكنواختي باشند.
2. در صورت لزوم مرحله سنباده زني خشن را تكرار نماييد.
3. براي جلوگيري از انتقال ذرات ساينده درشت مرحله قبل ( پوليش يا سنباده زني ) به مرحله بعد نمونه ها را بعداز هر مرحله به دقت بشوييد
4. اگر بعدلز يك مرحله باز هم خراشي از مرحله قبل ديده مي شود، زمان آماده سازي در آن مرحله را 25 تا 50% افزايش دهيد.

تغيير شكل ( Deformation )
تغيير شكل دونوع است : الاستيك و پلاستيك. تغيير شكل الاستيك در هنگام برداشتن بار، از بين مي رود. تغيير شكل پلاستيك (كارسرد نيز ناميده مي شود) مي تواند سبب عيوب زير سطحي بعداز مراحل سنباده زني ، صيقل كاري يا پوليش شود. باقيماندن تغيير شكل را مي توان بعداز اچ مشاهده نمود.

راه حلها :
1. اگر خطوط تغيير شكل كوچك و محدود هستند، مرحله آخر سنباده زني را دوباره تكرار نماييد.
2. اگر خطوط تغيير شكل بزرگ و قابل رؤيت مي باشند، پارچه پوليش را بررسي نموده و آن را تميز نماييد.

[داوود]

نواحي تغيير شكل يافته ( Smearing )
تغيير شكل وسيع نمونه را Smearing مي نامند. اين تغيير شكل به دليل استفاده از مواد ساينده ، روانكار، پارچه پوليش نامناسب يا تركيبي از اين موارد به وجود مي آيد.
سه روش براي جلوگيري از اين پديده وجود دارد :
1. تغيير شكل وسيع اغلب در مقادير خيلي كم يا بسيار زياد مواد روانكار اتفاق مي افتد،
2. به دليل خاصيت ارتجاعي بالاي پارچه پوليش ، مواد ساينده به پارچه چسبيده و نمي توانند عمليات برش را بخوبي انجام دهند . از پارچه با خاصيت ارتجاعي كمتر استفاده نماييد.
3. به دليل كوچكي بيش از حد ذرات الماس، نمي توانند به داخل نمونه نفوذ كرده واز اين رو عمل برش انجام نمي شود. از ذرات الماس بزرگتر استفاده نماييد.

گرد شدن لبه ( Edge rounding )
استفاده از سطح پوليش با قابليت ارتجاعي بالا سبب خارج شدن ذرات مواد از سطح نمونه وكناره ها مي شود. اثر اين حالت گرد شدن لبه بوده و در نمونه هاي مانتي كه نرخ سايش رزين در آنها از ماده نمونه بيشتر است، ديده مي شود
راه حلها :
1. براي حفظ لبه ها ، نمونه ها را مانت ( سرد يا گرم ) نماييد،
2. براي جلوگيري از ايجاد شكاف ميان نمونه ورزين بايد چسبندگي ميان آنها بسيار خوب باشد. در نتيجه از رزين مناسب استفاده نماييد،
3. مدت زمان پوليش را كاهش دهيد،
4. از پارچه پوليشي با قابليت ارتجاعي كم استفاده نماييد.

ونمونه هايي از اين ازاين قبيل عيوب مي باشند كه در اينجا فقط به ذكر نام آنها اشاره مي شود.
برجستگي ( Relief )
حفره ها ( Pull-Outs )
شكافها ( gaps )
تركها ( Cracks )
تخلخل كاذب ( False Porosity )
ستاره هاي دنباله دار ( Comet tails )
آلودگي ( Contamination )
ذرات ساينده فرورفته ( Embedded abrasive )
آثار صيقل كاري ( Lapping tracks )
زنگ زدگي ( Staining )
و..

[داوود]

منابع

نام كتاب : متالوگرافي، مفاهيم و آزمايشگاه
مؤلف : مهندس امير خاكزاد
ناشر : طراح