متالوگرافی

با سلام خدمت دوستان و همراهان همیشگی پارس بوته. امروز هم با یک مقاله آموزشی دیگر در خدمت شما هستیم. متالوگرافی (Metallography) یکی از شاخه‌های مهم علم مواد است که به بررسی ساختارهای داخلی فلزات و آلیاژها می‌پردازد.

این دانش با استفاده از روش‌های میکروسکوپی و ماکروسکوپی، ریزساختار مواد فلزی را مورد مطالعه قرار می‌دهد تا بتواند ارتباط میان ساختار و ویژگی‌های مکانیکی آن‌ها را روشن سازد. برای بررسی بیشتر متالوگرافی و مراحل فرآیند آن در ادامه این مقاله با ما همراه باشید.

متالوگرافی چیست؟

متالوگرافی به علمی اطلاق می‌شود که در آن ساختار و ویژگی‌های فلزات و آلیاژها به وسیله مطالعه میکروسکوپی و ماکروسکوپی بررسی می‌شوند. هدف اصلی متالوگرافی، تحلیل ریزساختار مواد فلزی برای شناسایی ویژگی‌های آن‌ها مانند سختی، مقاومت و انعطاف‌پذیری است.

متالوگرافی به مهندسان کمک می‌کند تا مواد را از لحاظ میکروسکوپی بررسی کرده تا ارتباط بین خواص مکانیکی و ترکیبات آن‌ها را درک کنند. علاوه‌براین با تحلیل دقیق ساختارهای داخلی، مهندسان و متخصصان قادر خواهند بود تا مواد مناسبی برای تولید انتخاب کنند، فرآیندهای تولید را بهبود بخشند و به افزایش کارایی محصولات فلزی در صنایع مختلف کمک کنند.

مراحل متالوگرافی

متالوگرافی شامل چندین مرحله است که هر یک از این مراحل در تحلیل ساختارهای ماکروسکوپی و میکروسکوپی فلزات و آلیاژها تاثیرگذار هستند. در ادامه با روند و ترتیب مراحل این تحلیل که خود شامل چندین مرحله اساسی است آشنا خواهید شد:

انتخاب نمونه

اولین و اساسی‌ترین مرحله در فرایند متالوگرافی، انتخاب نمونه است. برای انجام دقیق این فرایند، نمونه‌ای که قرار است مورد بررسی قرار گیرد باید به دقت انتخاب شود تا نمایانگر ساختار کلی فلز یا آلیاژ مورد نظر باشد. انتخاب نمونه مناسب اهمیت بسیاری دارد، زیرا خواص مکانیکی و فیزیکی فلز ممکن است در نقاط مختلف قطعه تغییر کند.

بنابراین نمونه باید به گونه‌ای انتخاب شود که تمام نواحی و خصوصیات فلز را به طور یکسان نشان دهد. باید توجه کرد که انتخاب نمونه در اندازه‌ای کوچک باشد و دقت شود تا در زمان انجام برش برای جلوگیری از تغییر خواص، فلز تحت تاثیر واکنش‌های حرارتی، شیمیایی و مکانیکی قرار نگیرد.

مانتینگ

مانتینگ یکی از مراحل کلیدی در متالوگرافی است که طی آن یک نمونه از فلز برای آماده‌سازی بیشتر در یک ماده محافظ قرار می‌گیرد.

منظور از این مرحله این است که نمونه در وضعیت مناسبی قرار بگیرد تا از آسیب‌های احتمالی به ساختار فلز در حین مراحل بعدی جلوگیری شود. هدف اصلی مانتینگ، فراهم کردن یک سطح مناسب برای پرداخت و صیقل دادن نمونه و همچنین حفاظت از لبه‌ها و گوشه‌های نمونه است.

مانت گرم (Hot Mounting)

در این روش فلز نمونه در یک قالب با فشار و دمای بالا (معمولاً 150 تا 200 درجه سانتی‌گراد) قرار می‌گیرد و با استفاده از رزین‌های گرما سخت مانند باکالیت یا فنولیک، به صورت جامد درمی‌آید. این روش برای نمونه‌های کوچک و مقاوم در برابر حرارت مناسب است.

مانت سرد (Cold Mounting)

این روش برای نمونه‌هایی استفاده می‌شود که نسبت به حرارت حساس هستند. در مانتینگ سرد رزین‌های دو جزئی مانند اپوکسی یا پلی‌استر بدون نیاز به گرما روی نمونه ریخته و در دمای اتاق سفت می‌شوند. این روش برای نمونه‌های شکننده یا حساس به حرارت ایده‌آل است.

پرداخت ابتدایی (Grinding)

این مرحله از متالوگرافی به منظور هموار کردن سطح نمونه و برای حذف نواقص ناشی از برش یا مانتینگ انجام می‌شود. پرداخت ابتدایی کمک می‌کند تا سطح نمونه برای مشاهده دقیق ریزساختار فلز آماده شود. علاوه‌بر ایجاد سطح صاف و حذف نواقص آن، در حین انجام پرداخت باید دقت شود تا به نمونه گرمای بیش از حد وارد نشود تا ساختار فلز تغییر نکند.

مراحل انجام پرداخت ابتدایی به این صورت است که با استفاده از کاغذهای سنباده مختلف (سیلیکون کاربید یا اکسید آلومینیوم) در درجات زبری متفاوت (معمولاً 60 تا 1200 گرین) انجام می‌شود.

در این فرآیند ابتدا از کاغذهای زبر و سپس کاغذهای نرم‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین برای جلوگیری از ایجاد حرارت زیاد و سوختن سطح نمونه از آب یا مایع خنک‌کننده به منظور کمک به حفظ ساختار فلز استفاده می‌شود.

پرداخت نهایی (Polishing)

این مرحله در متالوگرافی به منظور ایجاد سطحی بسیار صاف و براق بر روی نمونه انجام می‌شود تا امکان مشاهده دقیق و بدون نقص ریزساختار فلز فراهم شود.

پرداخت نهایی با دقت بالا انجام می‌شود و از اهمیت بالایی در آماده‌سازی نمونه‌های متالوگرافی برخوردار است. پرداخت نهایی تمامی خراش‌های ریز باقی‌مانده از پرداخت ابتدایی را از بین می‌برد و سطح نمونه را برای بررسی میکروسکوپی آماده می‌کند.

• پرداخت نهایی با استفاده از پارچه‌های نرم مخصوصی انجام می‌شود که معمولاً از موادی مانند مخمل یا نمد ساخته شده‌اند. این پارچه‌ها به کمک دستگاه‌های دوار روی سطح نمونه حرکت داده می‌شوند.
• به همراه پارچه، از سوسپانسیون‌های حاوی ذرات بسیار ریز ساینده مانند آلومینا یا دیاموند (الماس) استفاده می‌شود. اندازه ذرات ساینده معمولاً بین 0.05 تا 1 میکرون است. این ذرات خراش‌های ریز را از سطح نمونه حذف کرده و سطح را براق می‌کنند.
• باید توجه کرد که فشار و سرعت چرخش پارچه در دستگاه‌های پرداخت به دقت کنترل شود تا از وارد آمدن آسیب به سطح نمونه جلوگیری شود و در عین حال، پرداخت به صورت یکنواخت روی نمونه انجام گیرد.

پس از پایان هر مرحله از پرداخت، نمونه باید با دقت شسته و تمیز شود تا ذرات ساینده باقی‌مانده از روی سطح حذف شوند و خراش‌های جدیدی ایجاد نشود. برای این کار معمولاً از آب مقطر یا الکل ایزوپروپیل استفاده می‌شود.

اچ کردن (Etching)

این مرحله به منظور برجسته‌سازی ریزساختار فلز در فرآیند متالوگرافی انجام می‌شود تا بتوان به وضوح ساختارهای مختلف موجود در نمونه را تحت میکروسکوپ مشاهده کرد.

• اچ کردن با استفاده از محلول‌های شیمیایی خاص انجام می‌شود که با سطح نمونه واکنش داده و جزئیات ساختاری را نمایان می‌سازند. همچنین اچ کردن می‌تواند ناپیوستگی‌ها و عیوب ریزساختاری مانند ترک‌ها، حفره‌ها و آخال‌ها را که ممکن است در پرداخت نهایی مخفی شده باشند، نمایان کند.
• برای این مرحله انتخاب محلول اچ‌کننده به نوع فلز یا آلیاژ و ریزساختار مورد نظر بستگی دارد. محلول‌های اچ‌کننده از اسیدها، قلیاها یا ترکیبات خاص شیمیایی ساخته می‌شوند. به همین منظور باید نمونه در محلول اچ‌کننده غوطه‌ور ‌شود یا با کمک یک پنبه آغشته به محلول، سطح آن به آرامی مالیده شود.

پس از اچ کردن نمونه باید به سرعت با آب یا الکل شسته و خشک شود تا فرایند اچ متوقف شود و از واکنش‌های اضافی جلوگیری گردد. حساسیت این موضوع به این دلیل است که هر گونه باقی‌مانده از محلول اچ‌کننده ممکن است باعث خوردگی بیشتر سطح شود.

آنالیز (Analysis)

در این مرحله از متالوگرافی ساختار داخلی فلزات یا آلیاژها به کمک میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی مورد بررسی و تحلیل قرار می‌گیرد تا ویژگی‌های مکانیکی، فیزیکی و ساختاری مواد شناسایی شوند.  این آنالیز به منظور مشاهده و بررسی دقیق ریزساختارها مانند مرزدانه‌ها، فازها، دوقلویی‌ها، ناپیوستگی‌ها، و عیوب ساختاری انجام می‌شود.

همچنین با بررسی ساختار فلز می‌توان به اطلاعاتی در مورد خواص مکانیکی نظیر سختی، چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی پی برد. یکی از رایج‌ترین روش‌ها برای آنالیز ریزساختارها، استفاده از میکروسکوپ نوری است.

این میکروسکوپ‌ها می‌توانند تصاویر واضحی از مرزدانه‌ها و فازهای مختلف فلزات ایجاد کنند. نمونه‌ها ابتدا در نور بازتابی یا عبوری قرار می‌گیرند تا ساختارهای مختلف مشاهده شوند.

برای مشاهده جزئیات دقیق‌تر، از میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی (SEM) استفاده می‌شود. این میکروسکوپ‌ها تصاویر با وضوح بسیار بالایی از سطح فلز ارائه می‌دهند و می‌توانند ساختارهای در مقیاس نانومتر را نشان دهند. در کنار SEM می‌توان از آنالیز انرژی تفرق اشعه ایکس (EDX یا EDS) برای تعیین ترکیب شیمیایی عناصر موجود در نمونه استفاده می‌شود.

علاوه‌براین نرم‌افزارهای پیشرفته‌ای برای تحلیل تصاویر میکروسکوپی وجود دارند که می‌توانند اندازه‌گیری دقیق ویژگی‌هایی مانند اندازه دانه‌ها، درصد فازها، و تراکم عیوب را انجام دهند.

جمع‌بندی

متالوگرافی یک روش پر اهمیت در علم مواد است که به بررسی ساختارهای میکروسکوپی و ماکروسکوپی فلزات و آلیاژها می‌پردازد. این فرآیند شامل مراحل مختلفی از جمله انتخاب نمونه، مانتینگ، پرداخت ابتدایی و نهایی، اچ کردن و در نهایت آنالیز دقیق ریزساختار است.

هر یک از این مراحل به دقت و با رعایت اصول مشخصی انجام می‌شود تا ساختارهای داخلی فلز به درستی مورد ارزیابی قرار گیرند.

متالوگرافی کمک می‌کند تا مهندسان و دانشمندان بتوانند خواص مکانیکی و فیزیکی مواد فلزی را به دقت بررسی کنند، عیوب موجود در ساختار را شناسایی نمایند و فرآیندهای تولید را بهینه‌سازی کنند. این دانش در صنایع مختلفی از جمله خودروسازی، هوافضا، ساخت تجهیزات صنعتی و دیگر حوزه‌های مهندسی نقش کلیدی ایفا می‌کند.