متالوگرافی فلزات چیست و چگونه انجام می‌شود؟

متالوگرافی به کلیه تکنیک‌های اعمال شده بر روی سطح مقطع فلز، به منظور بررسی میکروسکوپی آن گفته می‌شود. به طور خلاصه می‌توان گفت، تمامی رفتار‌هایی که یک فلز یا آلیاژ در شرایط کاری و دمایی مختلف از خود نشان می‌دهد مانند میزان سختی، استحکام و توانایی کار در دمای بالا، متناسب با ریز ساختار آن است. در این مقاله به بررسی فرایند متالوگرافی، کاربرد و اهمیت آن می‌پردازیم.

متالوگرافی چیست؟

ریزساختار از اجزا و فاز‌های مختلف، با جهت‌گیری و اندازه‌های مختلف تشکیل شده است. این دانه‌های متفاوت در مرز‌های دانه به یکدیگر متصل می‌شوند و ساختاری یکپار‌چه را تشکیل می‌دهند. خود این مرزدانه‌ها نیز از جمله مهم‌ترین مکان‌های موثر بر رفتار فلز می‌باشد. در ادامه به طور جزئی به بررسی اهمیت و روش‌های متالوگرافی می‌پردازیم.

---

کاربرد متالوگرافی در مهندسی مواد

همانطور که پیش‌تر نیز اشاره شده، ریزساختار یک آلیاژ، اهمیت بسیار زیادی در کاربرد آن آلیاژ دارد. علاوه بر آن، از جمله شرایطی که همواره برای مهندسین متالورژی به عنوان یک چالش محسوب می‌شود، بررسی سطح شکست و علت احتمالی آن شکست است.
متالوگرافی، با ارزیابی مقطع شکسته شده به وسیله میکروسکوپ‌‌های نوری می‌تواند تا حدود بسیار زیادی کارگشا باشد.
برخی از شکست‌ها در قطعات فلزی به طور مرزدانه‌ای و برخی دیگر به صورت داخل دانه‌ای می‌باشند. کیفیت شکست بررسی شده توسط متالوگرافی، به مهندسین این دید را می‌دهد که کدام یک از مراحل طی شده در ساخت و بکارگیری قطعه مورد نظر را اشتباه ارزیابی کرده‌اند و در جهت رفع آن مشکل، بهتر است که چه فرایندهایی طی شود.
از دیگر کاربردهای متالوگرافی می‌توان به بررسی علت عدم پاسخگویی مناسب قطعه، متناسب با پیشبینی‌های انجام شده اشاره کرد.
تمامی موارد اشاره شده نشان می‌دهد که این بررسی تا چه اندازه می‌تواند کلیدی و تعیین کننده باشد. متالوگرافی می‌تواند با بررسی علمی وقایع، تا حدود مناسبی هزینه‌های ناشی از تعمیرات را کاهش دهد و همچنین از تخریب کامل قطعات نیز جلوگیری کند. تمامی این مراحل می‌تواند در قیمت تمام شده قطعات ساخته شده، مانند قیمت ورق یا حتی نرخ فولاد‌های آلیاژی تاثیرگذار باشد.

---

فرایند انجام متالوگرافی

به طور کلی، متالوگرافی شامل تمام روش‌هایی می‌شود که در آن سطح قطعه مورد نظر در مقیاس میکروسکوپی صاف و تمیز و عاری از هرگونه خراش باشد. این عملیات برای ایجاد توانایی بررسی دقیق میکروسکوپی الزامی است. روش انجام متالوگرافی تا حدود زیادی به فلز مورد بررسی وابسته است، چرا که برخی فلزات و آلیاژ‌ها اصطلاحا نرم هستند و دقت و حساسیت کار در آن‌ها بالاتر است.
از جمله این فلزات و آلیاژ‌ها می‌توان به آلومینیوم در تمامی گرید‌های آن اشاره کرد. از طرف دیگر برخی از آلیاژ‌ها نظیر فولاد، که سختی سطحی بالاتری دارند ظرافت کمتری را نیازمندند. دسته سوم مواد، توانایی پولیش شدن به روش‌های معمول را ندارند و برای آن‌ها ناچار به استفاده از الکترو پولیشینگ می‌باشیم. در ادامه به بررسی دو روش معمول نام برده شده می‌پردازیم.

مرحله سنباده زنی نمونه

در این روش، قطعه مورد نظر در مرحله اول تحت عملیات سنباده زنی قرار می‌گیرد. سنباده‌ها در شماره‌‌های پایین (60 یا 80) تا بالا (5000) دسته بندی می‌شوند. در شماره‌های پایین، سطح سنباده بسیار زمخت و خشن است و برای لایه برداری‌های اولیه مورد استفاده قرار می‌گیرد. هرچه سنباده زنی ادامه پیدا می‌کند از شماره‌های بالاتر و نرم‌تر سنباده باید بهره برد. در سنباده زنی دو نکته بسیار مهم وجود دارد.
نکته اول اینکه قدرت دست هم در سنباده زنی دستی و هم در سنباده زنی با دستگاه باید به گونه‌ای تنظیم شود که به همه جا به طور یکسان فشار بیاید. در غیر این صورت سطح نمونه تاب برداشته و دیگر نمی‌شود زیر میکروسکوپ بررسی شود. نکته دوم این است که پس از اتمام هر شماره از سنباده، نمونه باید 90 درجه چرخانده شود و سپس روی سنباده با شماره بالاتر اعمال شود. علت این کار این است که اگر سنباده زنی فقط در یک جهت انجام شود، بخش زیادی از دانه‌ها در زیر میکروسکوپ مخفی می‌مانند و دیده نمی‌شوند.

مرحله پولیش

پس از انجام فرایند سنباده زنی تا شماره‌های بالا نوبت به مرحله پولیش می‌رسد. در مرحله پولیش، به وسیله‌ی پارچه‌های مخملی و یا برخی نمدهای بسیار نرم، سطح نمونه کاملا صاف و آینه‌ای می‌شود. این عملیات باید تا مرحله‌ای ادامه پیدا کند که فرد پولیش کننده بتواند اصطلاحا چهره خود را در سطح نمونه ببیند. برای انجام فرآیند پولیش، سه رویکرد عمده وجود دارد. روش‌های پولیش به شرح زیر می‌باشند:

استفاده از کاربید سیلیکون

از کاربید سیلیکون برای فلزاتی نرم‌تر نظیر آلومینیوم و مس استفاده می‌شود. ذرات خراش دهنده کاربید سیلیکون کوچکتر هستند و آسیب کمتری به سطح فلز وارد می‌کنند.

استفاده از اکسید آلومینیوم

اکسید آلومینیوم یا آلومینا به دلیل دارا بودن ذرات خراش دهنده بزرگتر و سخت‌تر فقط برای آلیاژهای با سختی سطحی زیاد، نظیر فولاد استفاده می‌شوند.

استفاده از تکنیک الکترو پولیشینگ

برخی از آلیاژ‌ها باید به طور حساس تر و دقیق‌تری مورد ارزیابی قرار گیرند. برای این منظور از الکتروپولیشینگ استفاده می‌شود. در این تکنیک فلز مورد بررسی و فلز شاهد به عنوان آند و کاتد قرار می‌گیرند و با اعمال اختلاف پتانسیل معین، لایه برداری از سطح آلیاژ انجام می‌شود.

حکاکی (اچ کردن) چیست؟

فرآیند حکاکی یا اچینگ (Etching) پس از عملیات پولیش انجام می‌شود. نمونه پس از پولیش کردن  دارای سطح آینه‌ای می‌شود. این سطح به هیچ عنوان زیر میکروسکوپ دیده نمی‌شود. به منظور بررسی ریز ساختار، نیاز است که سطح نمونه در محلولی اسیدی قرار بگیرد تا دچار خوردگی موضعی گردد. این خوردگی در مرزدانه‌ها که مکان‌های با انرژی بالاتر هستند شدیدتر است، از این رو دانه‌بندی‌ها پس از فرآیند حکاکی به خوبی مشخص می‌شود. نوع اسید مورد استفاده و مدت زمان ماندن آن بر روی سطح نمونه به طور کامل وابسته به نوع آلیاژ مورد بررسی است.

آزمایشگاه متالوگرافی

یکی از اساسی‌ترین آزمایشگاه‌های موجود در بسیاری از رشته‌های مهندسی، علی الخصوص مهندسی مواد و متالورژی، آزمایشگاه متالوگرافی است. در این آزمایشگاه، کلیه فرایندهای نامبرده در فوق با کمک تجهیزات متفاوت انجام می‌شود. یک آزمایشگاه متالوگرافی استاندارد از ساده‌ترين تجهيزات مانند انواع سنباده تا تجهيزات الكتروپولیشینگ را در برمی‌گیرد. یکی دیگر از تجهیزات اساسی برای داشتن یک آزمایشگاه متالوگرافی مجهز، تعداد و کیفیت میکروسکوپ‌های نوری موجود در آزمایشگاه است. هرچه کیفیت میکروسکوپ نوری بالاتر برود، تصاویر ذخیره شده کیفیت بالاتری داشته و طبیعتا تحلیل خواص فلزات مورد نظر، با دقت بالاتری انجام می‌شود.

شست و شو و خشک کردن سطح نمونه

به منظور بررسی سطح نمونه زیر میکروسکوپ و همچنین جلوگیری از خوردگی بیش از حد، نمونه باید بعد از اچینگ بلافاصله شسته و خشک شود. در حین خشک کردن معمولا قطعه طوری قرار میگیرد که هیچ قطره آبی بر روی سطح آن نماند چرا که اگر قطرات آب بر روی سطح نمونه خشک شوند، تصاویر را با مشکلاتی همراه می‌کنند.

متالوگرافی فولاد

در مقاله تفاوت آهن، فولاد و چدن بررسی شد که این سه محصول چه فرق‌های ساختاری با همدیگر دارند، از طرفی در مقاله فولاد چیست نیز به این موضوع رسیدگی شد که تعداد گونه‌های فولاد تولید شده در دنیا، تا چه حد گسترده است. لذا این تفاوت‌های ساختاری، تاثیر خود را بر روی نوع متالوگرافی نیز خواهد گذاشت. به عنوان مثال، فولادهای ابزار نظیر فولاد خشکه هوایی به دلیل سختی که دارد، باید سنباده زنی را از شماره‌های بسیار پایین (سخت‌ترین سنباده‌ها) شروع کرد. شناخت دسته و گرید فولادی مورد بررسی، پیش از آغاز متالوگرافی، بسیار حیاتی است.

متالوگرافی چدن

متالوگرافی نمونه‌های چدنی در مراحل عملی کار، تفاوت چندانی با فولادهای مختلف ندارد. تفاوت این دو دسته از مواد تنها در زیر میکروسکوپ‌های نوری مشخص می‌شود. ساختارهای مواد چدنی عمدتا دارای گرافیت‌های با اشکال گوناگون بوده حال آنکه فولادها عموما کربن به صورت کاربید در ساختار خود دارند. متالوگرافی مناسب چدن تاثیر بسزایی در شناسایی دسته‌بندی کلی این آلیاژ دارد.

متالوگرافی آلومینیوم

متالوگرافی آلومینیوم نسبت به گریدهای فولادی باید با حساسیت بالاتری انجام شود. علت این اتفاق این است که آلومینیوم و آلیاژهای آن ذاتا سختی کمتری نسبت به فولاد دارند. همین امر موجب می‌شود که مراحل سنباده و پولیش نمونه‌های آلومینیومی، ظرافت بالاتری را نیاز داشته باشند. این حساسیت تا حدی می‌تواند زیاد شود که به عنوان مثال اوپراتور مجبور می‌شود تا سنباده‌های بسیار ظریف (مثلا 5000) سنباده زنی را ادامه دهد.

بررسی میکروسکوپ نوری

نمونه باید ابتدا کاملا به وسیله یک خمیر کوچک طراز شود. پس از آن، بررسی از کم‌ترین بزرگنمایی شروع می‌شود و پس از پیدا شدن تصویری واضح، یک سطح بزرگنمایی بالاتر اعمال می‌شود و این روند تا بزرگترین سطح بزرگنمایی ادامه پیدا می‌کند. در این مرحله، کلیه دانه بندی‌ها، فازها و اندازه ذرات و دانه‌ها و جهت‌گیری آن‌ها به خوبی قابل مشاهده و ارزیابی است.

جمع‌بندی

در این مقاله به بررسی مفهوم متالوگرافی و علل استفاده از آن پرداختیم. مشخص شد به کارگیری متالوگرافی صحیح تا چه اندازه می‌تواند برای یک پروژه بزرگ صنعتی حیاتی باشد. در ادامه روند فرایند متالوگرافی توضیح داده شد و در نهایت، مطالبی در خصوص متالوگرافی فولاد ذکر شد. برای مطالعه مقالات مشابه اینجا کلیک کنید. همچنین برای نگارش این مقاله از این مطلب کمک گرفته شده است.
شما می‌توانید جهت اطلاع از قیمت روز انواع محصولات فولادی و همچنین خرید این محصولات به وبسایت فولادینو مراجعه کرده و از خدمات ارائه شده توسط این وبسایت استفاده کنید.