متالوگرافي
متالوگرافی (Metallography) به علم و هنر آمادهسازی نمونههای فلزی و بررسی ریزساختار میکروسکوپی آنها گفته میشود. در بسیاری از مواد، دانههای تشکیل دهنده آنها دارای ابعاد میکروسکوپی هستند و قطری در حدود میکرون دارند و اجزای آنها باید با استفاده از میکروسکوپها دیده و بررسی شوند. اما مشکل فقط بزرگنمایی نیست. بلکه سطح ریزساختار نیز باید آماده شود. از آنجایی که در بررسیهای میکروسکوپی فقط سطح اجسام مورد بررسی قرار میگیرد، باید سطحی بسیار دقیق جهت دستیابی به اجزاء مهم ریز ساختار فراهم شود. مجموعهٔ فعالیتهایی که منجر به فراهم آمدن چنین سطحی میشود و بررسی میکروسکوپی ریز ساختار را متالوگرافی مینامیم که زیر مجموعه مهندسی و علم مواد قرار میگیرد. سطح نمونه باید در ابتدا ساییده و پولیش شده تا صاف و آینهای شود که این کار با استفاده از پودرهای مخصوصی امکانپذیر است. سپس ریز ساختار را میتوان با عملیات اچ کردن که از یک ماده شیمیایی مناسب استفاده میشود بدست آورد.
مراحل آمادهسازی نمونه
بعد از انتخاب نمونه مناسب برای کار، متخصصان این امر مراحلی را برای رسیدن به سطحی مناسب طی میکنند که بهطور کلی شامل مواردی مثل مقطع زدن، مانت کردن، سمباده کشیدن، پولیش کردن و اچ میشود. در پایان قطعه آماده شده برای آنالیز میکروسکوپی فرستاده میشود.
مقطع زدن
درست است که در مراحل آمادهسازی، گاهی اوقات نمونه در اندازه مناسبی قرار دارد ولی اکثر مواقع به مقطع زدن نیاز خواهد داشت. پس از برش معمولاً در نمونه آسیبهایی به وجود میآید ولی این آسیبها میتوانند به حداقل برسند؛ که این به عواملی مثل نوع مادهای که نمونه از ان ساخته شده و تکنیکهای 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 میتوانند بر خواص قطعه تأثیر بگذارند نیز باید توجه شود اگر نمونه کوچک باشد برش با تجهیزاتی که در آزمایشگاههای متالوگرافی وجود دارد مثل ماشینهای برش، انواع ارههای نواری و مويي واره الماسی و دیگر دستگاهها انجام میشود.
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 میشوند تا برای اقدامات بعدی قابل حمل شوند. همچنین مناسبترین رزینها برای کار، رزینهای اپوکسی و پلی استر هستند که بهطور ویژه برای کارهای متالوگرافیک ساخته شدهاند. روش دیگری که استفاده میشود نگهداری و ثابت کردن نمونه بین چند گیره و حمل نمونه به وسیلهٔ آنها ست.
پرداخت اولیه با سمباده
کاغذهای سمباده دایرهای از جنس کلسیم کاربید روی سطح یک چرخ دوار افقی و تخت چسبانیده میشود و سپس نمونه روی آن گذاشته میشود. البته باید نمونه را با فشاری کنترل شده روی سطح قرار داد در این مدت از آب به عنوان روانساز استفاده میشود 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 بهشکلی حرکت داده میشود که خراشها فقط در یک جهت ایجاد شود و در سایش بعدی، جهت آن عوض میشود.
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 میشود، در هنگام استفاده مقدار کمی از این خمیرها بر روی سطح یک چرخ دوار قرار میگیرد که روانساز آن روغنی مخصوص است. سپس نمونه روی محلی خاص و ثابت روی چرخ با فشار زیاد فشرده میشود و همزمان مخالف جهت چرخش چرخ میگردد. ذرات الماس خاصیت برشی شدیدی دارند و در جدا کردن لایهٔ عمیق تغییر شکل یافته ناشی از سایشهای اولیه بسیار مؤثراند. سطح ما بعد از عملیات به شدت صیقلی میشود و اگر با میکروسکوپ نوری آن را بنگریم حالت آینهای دارند.
تمییز کاری
نمونه ما باید بعد از هر مرحله تمییز شود یعنی باید تمامی باقی ماندههای قسمتهای 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 میگیرد. تمیزکاری با استفاده از فراصوت بسیار مؤثر است زیرا حتی باقی ماندههای پرداخت در شکافها و ترکهای ریز را هم تمیز میکند. 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 میشود.
آنالیز میکروسکوپی
تکنیکهای میکروسکوپی بسیاری در آنالیز متالوگرافی استفاده میشود. نمونه آماده شده باید با چشم غیر مسلح بعد از عملیات اچ واکاوی شود تا سطحی مناسب که تأثیر عملیات اچ روی آن بهتر مشخص است برای قرار گرفتن زیر میکروسکوپ انتخاب شود. بررسی با میکروسکوپ نوری همیشه قبل از واکاویهای پیشرفته با میکروسکوپ الکترونی بکار میرود، زیرا راه اندازی و بکار بردن میکروسکوپ الکترونی زمان بر است و قطعات آن نیز گران است و حتی کار با آن نیاز به تکنسین دارد!
ابتدا به توضیح روشهای دیدن ریزساختار با استفاده از میکروسکوپ نوری میپردازیم.
- نورپردازی به صورت مستقیم
در این بررسی چون نور به صورت مستقیم بازتابیده میشود عملاً یک صفحه تقریباً سفید مشاهده خواهد شد و جزئیات بهخوبی مشخص نیستند. برای اصلاح تصویر از یک منشور استفاده میکنند تا نور را علاوه بر مسیر مستقیم از اطراف و به صورت مایل هم به جسم بتابانند.
- استفاده از نور قطبی شده در بازتابش
با استفاده از قطعاتی در داخل میکروسکوپ مثل فیلترهای قطبیدگی و آنالیز نور بازتابیده شده از سطح قطعه را که معمولاً در جهات مختلف پراکندهاست. در یک مسیر یا جهات خاص عبور میدهند و تصویری ایجاد میکنند. این روش برای ساختارهای غیر مکعبی، مثل مواد با ساختارهای هگزاگونال مناسب است.
- نورپردازی مایل
با استفاده از منشوری در میکروسکوپ، نور علاوه بر تابش از بالا از کنارهها هم بر سطح جسم میتابد؛ و با عث ایجاد سایه روشنهایی میشود و تصویری با وضوح بالا تولید میکند و به آن دیدی سه بعدی میدهد. این روش که DIC نام دارد اولین بار توسط شخصی بنام نامرسکی(Nomarski) ابداع گشت.
- نورپردازی با زمینه سیاه (نبودن نور مستقیم)
دراین روش نور در میکروسکوپ مستقیم به قطعه نمیتابد و فقط از کنارهها بهطور مایل میتابد که باعث میشود تصویری با پس زمینه سیاه و خطوطی سفید که همان اجزاء ریزساختار هستند مشاهده شود.