متالوگرافي و كاربرد آن

متالوگرافي، شاخه اي از علم متالوژي است كه شامل آماده سازي و مطالعه سطحئ يك نمونه فلزي مي‌باشد. در اين بررسي و مطالعه، كه با استفاده از ابزاري بنام ميكروسكوپ صورت مي‌گيرد، اطلاعاتي راجع به ساختار دروني قطعات فلزي بدست مي‌آيد.

بطور كلي، مطالعات ساختاري فلزات و آلياژها، در زير ميكروسكوپ در دو مقياس به شرح زير انجام مي‌گردد:

1) بررسي و مطالعه ماكروسكوپي

Macroscopic Examination

2) بررسي و مطالعه ميكروسكوپي

Microscopic Examination

مطالعات ماكروسكوپي ساختار فلزات و آلياژها

در اين نوع برسي، ساختار فلزات د رزير ميكروسكوپ و با بزرگنمايي كم (تا حدود 10 برابر) مورد مطالعه قرار مي‌گيرد. اين امر موجب مي‌شود تا بر روي سطح وسيعي از نمونه مورد آزمايش يك مطالعه اجمالي انجام مي‌شود و اغلب نيز اطلاعات اوليه اي راجع به كيفيت قطعه، يعني يكپارچگي فلز و ساختار آن، انجماد و كيفيت عمليات نهايي(ريخته گري، كار مكانيكي، جوشكاري و...)بدست آيد.

بدليل پايين بودن بزرگنمايي، بررسيهاي ماكروسكوپي در تحقيقات فلزات، بيشتر در مراحل ابتدايي و اوليه بكار گرفته مي‌شوند و مطالعات دقيق تر و نهايي، ديگر در اين مقياس قابل بررسي نمي باشند.

مطالعه ساختارهاي ماكروسكوپي، مي‌تواند هم‌بطور مستقيم بر روي سطح فلز(به عنوان مثال بر روي سطح قطعات ريخته گري يا قطعات آهنگري شده) صورت مي‌گيرد و هم‌بر روي مقاطع شكست و نيز بعد از انجام عمليات سطحي ويژه بر روي سطح قطعه انجام مي‌شود. در زير بطور خلاصه، به موارد كاربرد متالوگرافي در بررسي هاي ماكروسكوپي ساختار فلزات و آلياژها اشاره مي‌گردد:

 بررسي مقاطع شكست قطعات به منظور تعيين علل شكست و نيز نوع شكست از نقطه نظر اينكه، اين شكست از نوع تردBrittle Fracture بوده و يا از اينكه و يا از نوع نرم Ductile Fracture مي‌باشد.

لازم به ذكر است مقطع شكست ترد، به صورت صيقلي ديده مي‌شود، در حاليكه مقطع شكست نرم، بدليل وجود ناهمواري(پستي و بلندي) تيره ديده مي‌شود. شكست نرم با تغيير فرم پلاستيك همراه است.

 تعيين حفره هاي انقباضي، حفره هاي گازي، شكافها و محفظه هاي تشكيل شده در فلز ريخته شده(شمش‌ها يا قطعات ريختگي) كه در اثر شرايط نامناسب ذوب و ريخته گري و انجماد حاصل مي‌شوند.

 تركهاي تشكيل شده در فلز نورد يا آهنگري شده، ذر حين انجام كار مكانيكي ياعمليات حرارتي .

 محفظه‌ها و مكهاي گازي كه ضمن جوشكاري در محل جوش بوجود مي‌ايند.

مطالعات ميكروسكوپي ساختار فلزات و آلياژها

مطالعه ساختار دروني موارد در زير ميكروسكوپ را، تحت بزرگنمايي هاي بالا، مطالعه ميكروسكوپي و ساختار مشاهده شده در چنين حالتي، ساختار ميكروسكوپي مي‌نامند.

بر حسب بزرگنمايي مورد نياز مي‌توان فازهاي يك ساختار، تعداد، شكل و توزيع آنها را با استفاده از ميكروسكوپ هاي نوري و الكتريكي مورد بررسي و مزالعه قرار داد.

لازم به ذكر مي‌باشد كه نمونه‌ها در اين نوع بررسي ها، بايستي بعد از انجام عمليات سطحي، مورد مطالعه قرار گيرند.

برخي از كاربردهاي متالوگرافي در بررسي ميكروسكوپي ساختار مواد فلزي به شرح زير مي‌باشد:

 تعيين و تشخيص فازهاي تعادلي و غير تعادلي

 تعيين روش توليد و عمليات انجام شده بر روي قطعه

 متالوگرافي كمي(تعيين اندازه دانه‌ها و آخالها، بويژه تعيين اندازه دانه هاي فاز زمينه و يا تعداد آخالهاي موجود در يك آلياژ)

براي تعيين اندازه دانه، ساختار ميكروسكوپي در يك بزرگنمايي(x100) با مقياس هاي استاندارد مقايسه مي‌شود. در اين اندازه گيري، تعداد دانه‌ها در واحد سطح مقطع ميكروسكوپي، شمارش شده و در نهايت قطر متوسط استاندارد يك دانه يا تعداد دانه‌ها در mm³1 فلز محاسبه مي‌شود.

محاسبات مربوط به فاكتورهاي ذكر شده جهت تعيين اندازه دانه، در جدول زير نشان داده شده است.(جدول 3)

لازم به ذكر است كه در مقياس هاي استاندارد، به هر اندازه دانه يك شماره نسبت داده مي‌شود كه در حقيقت نشان دهنده مشخصات دانه بندي يك ساختار مي‌باشد.

Table3: Parameters of Steel Struture with Various Grain Numbers

وسايل و تجهيزات مورد استفاده در متالوگرافي

ميكروسكوپ نوري، ميكروسكوپ الكتروني

مشاهده ساختار ميكروسكوپي مواد اغلب با دو وسيلهخ ميكروسكوپ نوري و ميكروسكوپ الكتروني صورت مي‌گيرد. حوزه بزرگنمايي اين دو ميكروسكوپ نوري بزرگنمايي در حد بين 20تا 2000مرتبه دارد و براي مطالعه مواردي نظير ساختاري ميكروسكوپي(دانه هاي جسم) مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

در حاليكه در تحقيقات عالي كه نياز به بزرگنمايي هاي بسيار بالا مي‌باشد از ميكروسكوپ الكتروني استفاده مي‌شود. ميكروسكوپ الكتروني امروزه از مدرنترين دستگاه هاي تحقيقاتي است كه بزرگنمايي آن حدود 30000 مرتبه است و البته هر روزه ميكروسكوپ هاي قويتر و گرانتر ساخته شده و در اختيار مراكز تحقيقاتي جهان قرار مي‌گيرد.

ميكروسكوپ نوري

ميكروسكوپ نوري دستگاه آشنايي است كه با طرحهاي گوناگون به بازار عرضه شده است. اين ميكروسكوپ‌ها بر حسب يكي از دو حالت عبور نور از داخل نمونه و يا بازتاب (انعكاس) آن از سطح نمونه به دو دسته عبوري(شفاف) و انعكاسي طبقه بندي مي‌شوند.

در متالوگرافي و شناخت ساختار ميكروسكوپي مواد و فلزات چون بيشتر مواد كدر هستند لذا نور از آنها عبور نمي كند، در نتيجه در متالوگرافي بيشتر از ميكروسكوپ انعكاسي استفاده مي‌شود. شمايي از اين دستگاه در شكل(25) مشاهده مي‌شود.

شكل-25

اولين مرحله آماده كردن نمونه براي مشاهده زير ميكروسكوپ، ساييدن و پرداخت كردن آن تا مرحله آينه اي است، در اين وضعيت تمام قسمتهاي سطح نمونه، نور را به داخل عدسي منعكس مي‌كنند، در نتيجه هيچگونه ساختار ميكروسكوپي مشاهده نمي شود.

با عمل اچ كردن(حك كردن) مرز بين دانه‌ها مرئي مي‌شوند. معمولاً براي انجام اين كار، سطح پرداخت شده را در معرض تأثير نوعي ماده شيميايي قرار مي‌دهند. تأثير ماده شيميايي روي نمونه، با خوردن مرز بين دانه‌ها شروع مي‌شود. مرز بين دانه‌ها در اثر خورده شدن بصورت شيارهاي ظاهر مي‌شود. نورهاي منعكس شده از شيارهايي ظاهر مي‌شود. نورهاي منعكس شده از شيارها تغيير مسير داده و به عدسي چشمي نمي رسد، در نتيجه مرز يبن دانه به صورت خطوط تيره ظاهر مي‌شوند.

ادامه عمل اچ كردن با خورده شدن سطح دانه‌ها همراه است. سرعت خورده شدن سطح دانه به جهت استقرار صفحات بلورين آن بستگي دارد. سرعت واكنش شيميايي در همه جهات يكسان نيست، لذا سطح برخي از دانه‌ها سريعتر از سطح دانه هاي لذا سطح برخي از دانه‌ها سريعتر از دانه‌ها از سطح دانه هاي ديگر خورده مي‌شوند. آن دانه هايي كه طوري جهت گيري شده اند كه نور منعكس شده از انها به داخل ميكروسكوپ بر نمي گردد، تيره ديده مي‌شود.

ميكروسكوپ الكتروني

ميكروسكوپ الكتروني(SEM) امروزه اغلب در مراكز تحقيقاتي معتبر جهان مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

زمينه هاي تحقيق بيشنر عبارتند از: زمين شناسي، متالوژي،تكنولوژي نيمه هاديها، كنترل كيفي بررسي ساختاري فلزات، شكست نگاري، خوردگي و اكسيداسيون، متالورژي پودري، لاستيكها و پلاستيكها، انجماد، شكل دادن فلزات و ... .

بزرگنمايي ميكروسكوپ الكتروني بسيار بالاست و تا 300000 برابر مي‌رسد و قدرت تفكيك آن نيز بسيار عالي است و قادر است تا حدود A10 (انگستروم) را تشخيص دهد. امروزه همراه با ميكروسكوپ الكتروني، دستگاه آناليز اشعه X نيز وجو دارد كه مي‌تواند آناليز كمي تركيب را نيز در يك حجم كوچك ارائه دهد.

اصول كلي دستگاه ميكروسكوپ الكتروني بدين صورت است كه يك دسته پرتو الكتروني توسط ايجاد ولتاژ بسيار بالا( حدودKV50) از يك فيلمان حرارت ديده شتاب داده مي‌شوند اين الكترونها ا زميان عدسي هاي مغناطيسي عبود كرده و بصورت متمركز شده بر روي سطح نمونه (آلياژ) تأبيده مي‌شود و موجب مي‌شود كه الكترونهايي از سطح نمونه خارج گردند، اين الكترونها توسط يك كلكتور جمع آوري شده و توسط آمپلي فاير تقويت شده و بر روي صفحه تلويزيوني رؤيت مي‌گردد و اطلاعات دقيقي از سطح نمونه بدست مي‌دهد كه مي‌توان آنرا مورد تجزيه و تحليل قرار داد.

دستگاه پوليش(صيقل كاري)

پس از اينكه از آلياژ نمونه تهيه شد بايستي آنرا تراشكاري كرده و سپس سطح آنرا توسط سمباده هاي درشت و بعد با سمباده هاي بسيار نرم(به ترتيب) سمباده كاري و صيقل نمود.

صيقل كاري نهايي توسط دستگاه پوليش انجام مي‌گيرد. دستگاه مزبور بسيار ساده است و بطور كلي از طريق مكانيكي يك ديسك صفحه اي كه روي آن را پارچه پرزدار يا مخمل يا پوست خز و يا پارچه هاي ظريف چسبانده شده است،با سرعت مناسب به حركت‌ در مي‌آيد و حول محور اصلي مي‌چرخد .

در حين صيقل كاري نهايي از ساينده هايي نظير اكسيد آلومينيوم(كوراندم) كه به صورت پودرهاي بسيار ريز متعلق در آب مي‌باشند براي مواد آهني و مسي استفاده مي‌شود وبراي صيقل كاري آلياژهاي آلومينيوم و منيزيم غالباً از اكسيد منيزيم معلق در آب استفاده مي‌شود.

اين ذرات ساينده بر روي پارچه مخمل دستگاه پوليش ريخته مي‌شوند و نمونه را روي آنها نگه مي‌دارند تا سطح آن كاملاً صيقلي و آينه اي گردد.

عمليات آماده سازي و تهيه يك مقطع متالوگرافي

تحقيق بر روي ساختار فلزات بوسيله، يك ميكروسكوپ، تنها وقتي امكان پذير است كه پرتوهاي نوري تابيده شده به سطح فلز، با شدت نسبتاً زيادي از اين سطح منعكس گردد. به همين دليل، سطح نمونه بايستي تحت عمليات سطحي خاص، آماده گردد. نمونه اي كه سطح آن جهت بررسي ميكروسكوپي آماده شده است، «مقطع» ناميده مي‌شود. براي تهيه يك مقطع بايستي نمونه اي از فلز مورد مطالعه، بريده شده و سطحي صاف و صيقلي تهيه گردد.

مراحل آماده سازي يك مقطع جهت بررسي و مطالعه ميكروسكوپي به ترتيب زير مي‌باشد:

نمونه برداري  Specimen Selection

انتخاب نمونه هاي متالوگرافي كه بايستي زير ميكروسكوپ آزمايش شوند، از اهميت زيادي برخوردار است. نمونه بايستي نماينده تمامي يك قطعه باشد، به هنگام بررسي يك عيب از طريق متالوگرافي بايستي نمونه از محل آن عيب تهيه شود تا اطلاعات كاملي كاملي بدست آيد. همچنين در بعضي موارد، بخصوص در مورد قطعات نورد شده، بدليل ناهمسو بودن خواص در جهت نورد و در جهت عمود بر آن، لازمست تا نمونه برداري در هر دوجهت صورت گيرد. قطعات و نمونه هاي كوچك، پس از انجام عمليات سطحي مناسب بر روي آنها، مستقيماً جهت مطالعه، زير ميكروسكوپ قرار مي‌گيرند. در صورتيكه اندازه و وزن يك قطعه زياد باشد و يا اينكه قطعه داراي شكل پيچيده اي بود و فاقد يك قسمت مسطح باشد، در اينصورت، لازمست كه نمونه اي كوچك از قطعه بريده شده و تحت عمليات سطحي قرار گيرد.

نمونه برداري ممكنست به روشهاي مختلفي انجام شود كه معمولترين آنها عبارتند از:

الف) نمونه برداري از طريق بريدن

ب) نمونه برداري از طريق شكستن

در موارد نرم، نمونه برداري را مي‌توان از طريق بريدن بوسيله اره و يا ساير ابزار برنده انجام داد. در موادي كه داراي استفاده از ديسكهاي كربوراندوم، الماس و غيره انجام مي‌شود. نكته قابل توجه آنست كه بايد در حين برش از گرم شدن حد قطعه اجتناب گردد، زيرا اين امر مي‌تواند به تغيير ساختار فلز منتهي گردد.

يكي ديگر از روشهاي بريدن، برش توسط جرقه الكتريكي (EDA) مي‌باشد كه براي نمونه  برداري از قطعات سخت بكار مي‌رود.

در صورتيكه فلز ترد و شكننده باشد و نمونه اي با شكل و اندازه معيني مورد نياز نباشد، مي‌توان با استفاده از چكش، تكه كوچكي از قطعه را، از طريق شكستن قطعه، تهيه كرده، سپس با انجام عمليات بعدي آنرا براي بررسي با متالوگرافي آماده نمود.

همانگونه كه اشاره شد، از عوامل مهمي كه نتايج مطالعه به آنها بستگي دارد، انتخاب محل نمونه برداري و سطح مورد مطالعه مي‌باشد. اين انتخاب در حقيقت به موضوع مورد مطالعه و شكل يك قطعه بستگي دارد و به همين دليل، در اينجا تنها مي‌توان توصيه هاي عمومي را مطرح نمود.

در فلزات و آلياژهاي ريختگي، مطالعه ريزساختارها بايستي در مقاطع(ضخامتهاي) مختلف انجام شود، زيرا با تغيير مقاطع، سرعت سرد شدن نيز در هر مقطع تغيير پيدا مي‌كند و در نتيجه ساختارهاي متفاوتي حاپل مي‌گردد.

قالبگيري(سوار كردن) نمونه‌ها Mounting

نمونه هاي را كه داراي ابعاد بسيار كوچكي هستند و يا اينكه، شكل نامناسبي دارند، نمي توان به آساني در دست گرفته و عمليات آماده سازي را بر روي آنها انجام داد. به همين منظور، اين نمونه‌ها را با مواد پلاستيكي مصنوعي قالبگيري مي‌كنند. مواد پلاستيكي مصنوعي قالبگيري مي‌كنند. مواد قالبگيري از نقطه نظر انجماد، در دو نوع گرما سخت و سرما سخت، وجود دارند.

سمباده زني(سمباده كاري) نمونه‌ها Grinding

سمباده زني (سمباده كاري) يكي از مراحل مهم در آماده سازي نمونه‌ها مي‌باشد. زيرا ناهمواريهاي ناشي از مرحله نمونه برداري، بايستي در اين مرحله بر طرف گردد. لازم به ذكر است سوختگي ناشي از بريدن به سختي از بين مي‌رود. در حين عمل ناشي از بريدن سمباده كاري، خراشهايي بوجود مي‌آيد كه بايستي در مراحل بعدي و با استفاده از مواد ساينده ريزتر كاهش داده شوند. نكته قابل توجه آنست كه در انتهاي مرحله سمباده كاري، تنها خراشهاي ناشي از آخرين مرحله سمباده كاري، تنها خراشهاي ناشي از آخرين مرحله سمباده كاري(سمباده كاري با ريزترين مواد ساينده) بايستي بر روي سطح وجود داشته باشد و خراشهاي ناشي از آخرين مرحله سمباده هاي داراي مواد درشت تر، در صورتي كه در طي مراحل سمباده كاري قبلي ازبين نرفته باشند، ديگر با عمليات بعدي(صيقلي‌كردن) از بين نخواهند رفت.

بطور كلي سطحي كه قرار است آماده شود، بوسيله ساينده هاي درجه بندي شده بر حسب اندازه ذرات مواد ساينده، به ترتيب از ذرات درشت به ذرات ريز، تحت سايش قرار مي‌گيرد. معمولاً عمل سايش از موادي با اندازه 180-60 مش آغاز شده و سپس تا 600 مش و حتي بيشتر ادامه پيدا مي‌كند. عموماً سمباده هاي مورد استفاده از نظر اندازه ذرات مواد ساينمده به ترتيب زير مي‌باشد:

مش 600                  400                  320                  240                  120

انتخاب اولين مواد ساينده به ميزان زبري سطح و عمق خراش و ناهمواري هاي ناشي از مرحله نمونه برداري بستگي دارد.

براي سطوحي كه با اره نواري بريده مي‌شوند اولين سمباده معمولاً بين 120-60 مش انتخاب مي‌شود. سطوحي كه عمل برش آنها به همراه سايش انجام مي‌گيرد هموارتر بوده و خراش كمتري دارند. در اين سطوح عمل سمباده كاري با سمباده هاي 240-120 مش آغاز مي‌شود. اگر سطوحي با استفاده از اره سيمي(Wire Saw) و يا اره الماسي با سرعت كم، بريده شده باشند، در چنين حالتي اولين سمباده اي كه مي‌تواند براي نرحله سمباده كاري ناشي از حرارت و نيز افزايش عمر و دوام كاغذ سمباده بايستي عمليات سمباده كاري به روش‌تر(مرطوب) انجام گيرد. رطوبت از گير افتادن ذرات فلز در ميان ذرات مواد ساينده و در نتيجه كاهش راندمان سايش جلوگيري كرده، عمل بريدن را توسعه مي‌بخشد. همچنين در سمباده كاري مرطوب، نمونه خنك مي‌شود و بدين ترتيب حرارت حاصل از اصطكاك كه ممكن است باعث تغيير ساختار ميكروسكوپي حقيقي شود، كاهش پيدا مي‌كند.

آب معمولي ترين خنك كننده و روان ساز، براي تمام مواد، به استثناي موادي كه با آب واكنش مي‌دهند، مي‌باشد.

جهت سمباده زدن، نسبت به نمونه نبايستي در طول عمليات سمباده كاري ثابت نگه داشته شود. براي دستيابي به بهترين نتايج، اين جهت بايستي در بين مراحل كار 45تا90 درجه تغيير نمايد.

در موارديكه ازسمبادده كاري دستي استفاده مي‌شود آزمايش كننده، بايستي سطح را بدقت بازرسي كند تا مطمئن گردد خراشهاي مربوط به مرحله قبلي، كاملاً از بين رفته باشند.

پرداخت كاري(صيقل كاري) نمونه‌ها Polishing

پس از انجام عمليات سمباده كاري تا 600مش، نمونه، براي ايجاد يك سطح تخت و تا حد قابل قبولي عاري از خراش و با قابليت انعكاس بالا، صيقلي مي‌گردد.

هر چند در كارهاي جاري و معمول همواره لازم نيست كه سطح كاملاً بدون خراش باشد، با وجود اين، تمام خراشهاي موجود بايستي بسيار ريز و در عين حال خوب پخش شده باشند تا ساختار واقعي را بتوان مشاهده نمود.

عمليات پرداخت كاري دو نوع مي‌باشد، يكي تحت عنوان صيقل كاري درشت و ديگري نيز به صيقل كاري نهايي موسوم است.

صيقل كاري درشت

اين نوع صيقل كاري توسط مواد ساينده خميري الماس در اندازه هاي 10-4 ميكرون به بهترين وجهي صورت مي‌گيرد، براي صيقلي كردن درشت بايستي پارچه ابريشم مصنوعي نظير نايلون، به عنوان پوشش براي صفحه صيقلي كننده دوار بكار برود.

در خلال صيقل كاري درشت، نمونه را در جهت عقربه هاي ساعت خول چرخ صيقل كاري حركت مي‌دهند تا از تمام سطح آن، بطور مساوي بار برداشته شود وصيقل كاري در يك جهت مشخص نشود. به غير از الماس، مواد ساينده ديگري نيز ممكن است بكار رود، ولي به منظور دستيابي به يك سرعت براده برداري مساوي، اندازه دانه اي بسيار بزرگتري لازم است و به علاوه درجه صيقل كاري نيز نامرغوب تر است.

صيقل كاري نهايي

صيقلي كردن يا صيقل كردن نهايي با وسايل مكانيكي، مشابه همان روشي انجام مي‌گيرد كه براي صيقل كاري درشت بكار مي‌رود. اكسيد آلومينيوم، معروفترين ماده ساينده براي صيقل كاري نهايي مواد آهني و مسي است. اكسيد منيزيم غالباً براي صيقل كاري آلياژهاي آلومينيوم و منيزيم بكار مي‌رود. مواد ساينده صيقلي كننده از قبيل خمير الماس و اكسيد كروم، معمولاً كمتر بكار مي‌روند.

حك كردن(ظاهر سازي ساختمان- اچ كردن)Etching

نمونه هاي فلزي صيقلي شده، معمولاً هيچگونه مشخصات ساختاري را نشان نمي دهند. هدف از اچ كردن سطح فلز، مرئي ساختن ساختار بلورين فلز و تشخيص سازنده هاي مختلف مي‌باشد. براي اچ كردن، نمونه تميز و صيقلي شده را در محلول اچ كننده(معرف) مناسب(مطابق جدول 4) فرو مي‌برند.

محلول هاي اچ كننده، از حل كردن اسيدهاي آلي و غير آلي، قليايي‌ها يا ساير مواد كمپلكس، در حلال هايي ا زقبيل آب، گليسيرين، يا گليكول تشكيل مي‌شوند. اين مواد اثري بسيار قوي دارند و بايستي با احتياط بكار برده شوند. چون هر محلول براي هدف خاصي ساخته شده، لذا هنگام ظاهر كردن ساختاري كه مورد نظر است، در انتخاب محلول بايستي نهايت دقت را بكار برد. مثلاً پيكرال يك اچ كننده عمومي نيست بلكه براي تشخيص فريت و كربور آهن بكار مي‌رود. با اين معرف، كربور آهن بيشتر ديده مي‌شود در صورتيكه نيتال جهت مصرف فوق مناسب نبوده بلكه اصولاً به عنوان يك ظاهر كننده عمومي در فولاد و جهت ظاهر شدن مرز دانه هاي فريت بكار مي‌رود.

جدول 4- معرفهاي اچ كننده(ظاهر كننده) انتخابي براي آزمايش ميكروسكوپي فلزات.

معمولاً براي اچ كردن نمونه، آن را با انبري نگه داشته و از طرف سطح سيقلي شده درون ظرف كوچكي كه قسمتي از ان محلول مورد نظر پر شده، غوطه ور مي‌كنند. از طرفي مي‌‌توان بوسيله پارچه كتاني كه از محلول اچ اشباع شده است، نمونه را اچ كرد. پيشرفت اچ شدن را مي‌توان با چشم ديد ولي بايستي زمان نيز كافي باشد.

زمان اچ كردن مناسب را بايستي بطور تجربي يافت و ممكنست از چند ثانيه تا يك دقيقه با بيشتر متغير باشد.

هرگاه نمونه اي به اندازه كافي اچ نشده باشد، بعد از تخستين غوطه وري، اين فرآيند ممكن است تكرار شود. هر گاه نمونه زياد اچ شده باشد، بايستي آنرا صيقلي نموده مجدداً اچ نمود. بلافاصله بعد از اچ كردن نمونه را بايستي با آب گرم شست تا عمل اچ شدن متوقف شود، سپس در الكل فرو برده و سرانجام در معرض وزش هواي گرم، خشك كرد. بنابراين به منظور جلوگيري از لكه آب، خشك كردن سريع، مهم است.

يكي از هدفهاي اچ كردن شيميايي، بر طرف ساختن فلز تغيير شكل يافته اي است كه ممكن است در خلال صيقلي كردن، توسعه يافته باشد.

بطور كلي اجزا ساختاري، در اثر اچ شدن ترجيحي ظاهر مي‌گردند، بدين معنا كه بعضي از سطوح، مانند مرز دانه ها، خيلي بيشتر از سطوح ديگر داراي تنش بوده و در نتيجه در معرض خورده شدن بيشترتوسط ماده اچ كننده قرار مي‌گيرند.

سرعت، اچ شدن نيز براي صفحات كريستالوگرافي مختلف، فرق مي‌كند و درجات متغيري از نور منعكس شده با سايه حاصل از دانه‌هاي مختلف، ايجاد مي‌كند.

متالوگرافي چدنها

چدن يكي از مهمترين مواد صنعتي ميباشد. اجزا ماشين آلات، سيلندرها، چرخ دنده‌ها، رينگ پيستونها و بسياري از قطعات ديگر، از چدن ساخته مي‌شوند. خواصي كه باعث شده است نا چدن، چنين فلز باارزشي در صنعت باشد عبارتند از:

قابليت ريخته گري بسيار خوب، خواص مكانيكي نسبتاً خوب، قابليت ماشين كاري عالي و نداشتن حساسيت به كيفيت پرداخت سطحي.

براساس نمودار تعادلي آهن-كربن، به آلياژ آهن و كربن دانست كه كربن موجود در آن بيش از قابليت آستنيت در درجه حرارت اوتكتيك است. در چدن علاوه بر كربن، سيليسيم، نيز به عنوان عنصر سوم و به اندازه(3-5/0) درصد موجود ميباشد. ساختار ميكروسكوپي چدن به دو عامل اصلي، يعني تركيب شيميايي(كربن و سيليسيم) و سرعت سرد شدن آن بستگي دارد.

در صورتيكه تركيب شيميايي چدن در محدوده معيني قرار داشته باشد و مذاب با سرعت آهسته اي سرد گردد، كربن در جريان انجماد به شكل آزاد(گرافيت) رسوب مي‌كند. چنين چدنهايي را كه مقطع شكست آنها، تيره و خاكستري ديده مي‌شود، چدن خاكستري مي‌نامند.

اما اگر تركيب شيميايي چدن از نظر ميزان كربن و سيليسيم، كمتر از مقدار اين عنصر د رچدن خاكستري باشد و يا اينكه صرعت سدن شدن مئذاب چدن به اندازه كافي سريع باشد، آنگاه قسمت اعظم كربن آن به صورت تركيب(سمانتيت) رسوب مي‌كند. اين چدنها كه مقطع شكست آنها، سفيد و روشن ديده مي‌شود، چدن سفيد ناميده مي‌شوند.

بنابراين در ارتباط با ساختار ميكروسكوپي چدنها، دو احتمال افراطي وجود دارد كه عبارتند از:

تمام كربن به صورت در آمده و در نتيجه محصول نهايي مخلوطي از سمانتيت و پرليت است.

تمام كردن به شكل آزاد(گرافيت) بوده و محصول نهايي مخلوطي از گرافيت و فريت است.

در عمل هيچكدام از اين دو حالت افراطي وجود نداشته، بلكه نوعي چدن به حد افراطي اول نزديكتر است و نوعي ديگر به حد دوم نزديكتر است.

در نمودار تعادلي آهن- كربن، دو حالت فوق نشان داده شده است. خطوط نشان داده شده به صورت منقطع(خط چين) بيانگر حالت تعادلي پايدارمي باشد كه در آن كربن بصورت آزاد وجود دارد و خطوطي كه به صورت پيوسته نشان داده شده است، به حالت تعادلي ناپايدار مربوط است كه در اين حالت كربن به شكل وجود دارد، به عبارت ديگر مي‌توان گفت كه نمودار تعادلي ناپايدار، به سيستم(-) تعلق دارد.

نمودار آهن- كربن

ساختار ميكروسكوپي چدنهاي سفيد

ساختار ميكروسكوپي اين جدنها بايستي بر اساس نمودار تعادلي ناپايدار (سيستم-) مورد مطالعه قرار گيرد.

همانگونه كه در اين نمودار نشان داده شده،اجزا اصلي در ساختمان چدن، پرليت و سمانتيت مي‌باشند كه به اشكال مختلفي در ساختار مشاهده مي‌شوند. همچنين د راين نمودار ديده يم شود كه در درجه حرارت1147 درجه سلسيوس، به ازاي 3/4 درصد كربن، تحولي در چدن صورت يم گيرد كه موسوم به تحول اتكتيك يم باشد. در جريان اين تحول مذاب به مخلوط مكانيكي، متشكل از آستنيت و سمانتيت تبديل مي‌شود كه اصطلاحاً به آن لدبورت گفته مي‌شود. يعني:

كربن (مذاب چدن)L

چدنهايي كه درصد كربن آنها كمتر از 3/4% است(سمت چپ چدن اتكتيكي)، چدن هاي هيپواتكتيك ناميده مي‌شوند.

به چدنهايي كه داراي كربني بيشتر از 3/4% هستند(به سمت راست چون اتكتيكي)، چدن‌هاي هيپراتكتيك گفته مي‌شود.

ساختار ميكروسكوپي چدنهاي خاكستري

همانگونه كه قبلاً بدان اشاره شد، در صورتيكه كربن به شكل آزاد(گرافيت) در چدن وجود داشته باشد، آنرا چدن خاكستري مي‌نامند. در اينجا لازم به ذكر مي‌باشد كه "چدن خاكستري"(Cray cast Iron) يك اصطلاح عمومي براي چدن هايي است كه در آنها، كربن بصورت گرافيك(بدون توجه به شكل آنها) وجود دارد.

انواع چدن هاي خاكستري

بر حسب شكل گرافيت موجود در چدن، سه نوع چدن خاكستري، متداول مي‌باشند كه عبارتند از:

1) چدن خاكستري با گرافيت لايه اي (Lamellar Graphite)

2) چدن خاكستري با گرافيت برفكي(چكش خوار)(Flaky Graphite)

3) چدن خاكستري با گرافيت كروي(نشكن)(Sphrodised Graphite)

ساختار ميكروسكوپي چدن خاكستري با گرافيت لايه اي

در اين چدن گرافيت آزاد به شكل ورقه اي وجود دارد كه نمونه سه بعدي آن در شكل زير نشان داده شده است.(شكل28)

اين نوع چدنها از نظر زمينه ميكروسكوپي به سه گروه، تقسيم مي‌شوند كه عبارتند از :

الف) زمينه فريتي

ب)زمينه پرليتي

ج) زمينه فريتي- پرليتي

در اينجا لازم به توضيح است كه اصولاً بر اساس نمودار تعادلي پايدار(سيستم) چدن خاكستري بايستي داراي اجزا اصلي گرافيت و فريت باشد، اما از آنجاييكه در شرايط معمولي توليد چدن ها، شرايط پايدار و ناپايدار هر دو اتفاق مي‌افتند، لذا ساختارهاي ميكروسكوپي چدن هاي خاكستري، كاملاً از نمودار تعادلي پايدار() پيروي نمي كند به همين دليل چدن خاكستري با زمينه صد در صد فريتي و يا صد در صد پرليتي در شرايط عادي قابل حصول نيستند و تنها به كمك عمليات حرارتي(جهت دستيابي به زمينه فريتي) و عناصر آلياژي(براي رسيدن به زمينه پرليتي) مي‌توان به چنين ساختارهايي دست يافت.

ساختار ميكروسكوپي چدن خاكستري با گرافيت برفكي

(چون ماليبل-چكش خوار)‌

براي بدست آوردن چدن چكش خوار، چدن سفيد را كه سخت مي‌باشد تحت عمليات بازپخت قرار مي‌دهند. در نتيجه اين عمليات، چدني حاصل مي‌شود كه از هر دو چدن سفيد و خاكستري، چكش خوارتر و انعطاف پذيرتر است. چدن چكش خوار از چدن خاكستري نرم تر بوده و نسبتاً به آساني نراشكاري مي‌شود بدين دليل، چدن چكش خوار را مي‌توان ابزار كشاورزي، خيش ها، تراكتورها، كلوخ شكن ها، قطعات اتومبيل، ظروف فلزي، ابزار كوچك و لوازم لوله كشي(اتصالات) را نام برد.

با اينكه چدن چكش خوار در مقايسه با چدن خاكستري هزينه زيادتري دارد، ولس مصرف بسيار وسيعي پيدا نموده است. چدن چكش خوار از قطعات چدن سفيد، بوسيله عمل بازپخت در درجه حرارتهاي بالا و به مدت زمان طولاني ساخته مي‌شود. قطعات تصلي چدن سفيد از يك چدن كم كربن و كم سيليسيم(چدني، كه بدون تشكيل كربن گرافيتي در قالب، منجمد و سرد خواهد شد) ساخته مي‌شوند. در طي عمليات باز پخت، كربن آزاد(گرافيت)طبق واكنش زير انجام مي‌شود:

(گرافيت به شكل برفكي)

چدنهاي چكش خوار، از نظر ساختار ميكروسكوپي زمينه، سه نوع مي‌باشند يعني چدن با زمينه فريتي، فريتي-پرليتي و پرليتي.

ساختار ميكروسكوپي چدن خاكستري با گرافيت كروي(چدن نشكن)

با اينكه توليد قطعات چدني، يك روش بسيار قديمي محسوب مي‌شود، ولي با اين وجود اخيراً كوشش زيادي جهت توليد چدنهاي مقاوم كه قابليت خمش داشته باشند، به عمل آمده است كه البته در اين راه به موفقيت هاي چشمگيري نيز نايل آمده‌اند. يكي از اين چدنهاي جديد چدن نشكن، مي‌باشد كه قابليت كشش و انعطاف پذيري زيادي دارد، به اين چدنها، چدنهاي كروي نيز گفته مي‌شود، زيرا در ساختار ميكروسكوپي آن، گرافيت به شكل كروي وجود دارد.

چدنهاي با گرافيت كروي مزاياي عملي چدن را با مزاياي مهندسي فولاد، تلفيق مي‌كنند. اين مزايا شامل نقطه ذوب پايين، سياليت خوب، قابليت ريخته گري خوب، قابليت تراشكاري عالي، مقاومت يه سايش خوب، استحكام زياد، سختي، قابليت انعطاف، قابليت كاركرد خوب، قابليت جوشكاري و سختي پذيري خوب مي‌باشند.

اين چدنها نيز مانند دو نوع قبلي، ا زنظر نوع زمينه، به سه صورت وجود دارند:

1) چدن گرافيت كروي با زمينه فريتي

2) چدن گرافيت كروي با زمينه پرليتي

3) چدن گرافيت كروي با زمينه فريتي- پرليتي

بررسي ساختار ميكروسكوپي برنجها

برنج ها، آلياژهاي مس و روي هستند. برنجها يكي از مهمترين آلياژهاي مهندسي غير آهني مي‌باشند.

مس مي‌تواند در درجه حرارت حدود 900 درجه سلسيوس تا حدود 5/32% روي را در خود حل نمايند(محلول جامد) و اين مقدار با كاهش درجه حرارت زياد شده و در 454درجه سلسيوس به 39% مي‌رسد. ولي پس از آن با تغيير در دياگرام مقداري از محيط ميزان درصد حلاليت روي در مس تا درجه حرارت محيط كاهش مي‌يابد.

در شرايطي كه مقدار روي كمتر از 36% باشد برنج بصورت محلول جامد تك فاز روي در مس خواهد بود كه به آن برنج آلفا گويند. برنج آلفا بسيار شكل پذير است و با اضافه شدن روي در مس تا حد 36%، شكل پذيري آن افزايش مي‌يابد، در نتيجه خواص كاربرد اين آلياژها بسيار خوبست.

برنج هاي آلفايي محتوي 5 تا 20درصد روي به سبب رنگ مسشان به برنجهاي قرمز مشهورند. در صورتيكه برنج هاي با 20تا30درصد روي را برنج هاي آلفاي زردمي مي‌نامند.

اگر درصد روي در آلياژ بيش از 36% گردد فاز تردد بتا() حاصل شود. محلول جامد بتا نسبتاً سخت است و انعطاف پذيري كمتري نسبت به برنج آلفا دارد. وقتي مقدار روي از 50% تجاوز كند محلول جامد گاما () تشكيل مي‌شود كه بسيار سخت و شكننده است و هيچ گونه ارزش صنعتي ندارد.

ساختمان كريستالي فاز آلفا F.C.C است و ساختمان كريستالي فاز بتا B.C.C است. فاز در درجه حرارت هاي حدود 454 درجه سلسيوس به فاز  تبديل مي‌شود كه فازيست منظم(Ordered) يعني اتم هاي روي بط.ر منظم در ساختمان اتمي اتمهاي مس قرار مي‌گيرد.

برنج هاي  داراي 36تا45درصد روي هستند. يكي از آلياژهاي معروف دو فازي برنج آلياژ فلز مونتژي مي‌باشد كه 40 درصد روي دارد و براي كار گرم بسيار مناسب است. و برنجي كه داراي 39% روي و 3% سرب است قابليت ماشين كاري عالي دارد و به برنج خوش تراش معروف است.

برحسب شكل دادن برنج‌ها به دو دسته تقسيم بندي مي‌شوند:

برنج هاي مناسب براي كار سرد

اين برنج‌ها معمولاً داراي ساختمان ميكروسكوپي فاز آلفا()هستند. برنج هاي الفا داراي قابليت انعطاف پذيري خيلي خوبي هستند. بخصوص برنج داراي 30% روي داراي ماكزيمم انعطاف است و به برنج زرد يا برنج قشنگ معروف است و براحتي از طريق سنبه و ماتريس و خم كاري و كشش شكل داده مي‌شود.

برنج هاي مناسب براي كار گرم

اين برنج‌ها دو فازي هستند يعني داراي فاز () مي‌باشند كه حدود 36تا45درصد روي دارند، اينگونه برنج‌ها فقط با كار گرم شكل مي‌پگيرند.

با توجه به دياگرام مس-روي معلوم مي‌شود كه آلياژ مثلاً حاوي 40% روي در 750درجه سلسيوس كاملاً داراي فاز  خواهد بود كه نسبت به دو فازي نرمتر است. بنابراين بهترين درجه حرارت براي كار كردن روي آلياژهاي دو فازه در جه حرارت 650-750 درجه سلسيوس مي‌باشد.

متالوگرافي آلومينيوم و آلياژهاي آن

فلز آلومينيوم بدليل خواص جادويي خود، جاي وسيع و مهمي در صنعت باز نموده است. از جمله اين خواص مي‌توان موارد زير را نام برد:

وزن مخصوص كم، قابليت انعكاس زياد(نور و حرارت)، مقاومت زياد در برابر خوردگي، نسبت استحكام به وزن زياد، هدايت الكتريكي زياد، هدايت حرارتي زياد، قابليت انتشار حرارتي كم، جرقه نزدن و غير مغناطيسي بودن، شكل پذيري با روشهاي مختلف، استحكام بالا در درجات حرارتي من، قيمت زياد ضايعات و قراضه، سمي نبودن و اتصال آسان.

آلياژهاي آلومينيوم به دو گروه كار پذير و ريختگي تقسيم مي‌شوند، كه گروه اول از طريق كار مكانيكي، به شكل مورد نظر در مي‌آيند و گروه دوم از طريق ريخته گري شكل مي‌گيرند. هر دو گروه ممكنست داراي قابليت عمليات حرارتي بوده و يا اينكه فاقد اين قابليت باشند.

تمام مراحلي كه در آماده سازي يك نمونه متالوگرافي، در قسمن هاي گذشته به انها اشاره شد در آلومينيوم و آلياژهاي آن نيز صادق مي‌باشد. محلول هايي كه براي اچ كردن اين مواد بكاربرده مي‌شوند، در جدول زير مندرج هستند.(جدول 5)

جدول5- محلول هاي حك شيميايي براي مطالعه درشت ساختاري

جدول شماره6-محلول هاي حك شده شميايي براي مطالعه و تفكيك ريز ساختارها

ريز ساختار آلياژ ريختگي آلومينيوم(Si-Al)

اجزا ساختماني در اغلب آلياژهاي آلومينيوم ريختگي در لابلاي شاحه هاي رشد يافته و در امتداد مرز دانه‌ها قرار مي‌گيرند. دليل اين امر آنست كه اغلب آلياژهاي آلومينيوم از نوع هيپوئوتكتيك بوده و در نتيجه اجزا ساختماني تمايل دارند در آخرين لحظات در خلال انجماد منجمد مي‌شود، متمركز گردند. ريز ساختار ريختگي‌ها بيشتر به تركيب شيميايي سرعت انجماد و عميات حرارتي بستگي دارد. آلياژهاي Si-Al به علت قابليت سيلان خوب، به عنوان آلياژهاي اصلي ريختگي بكار مي‌روند.

به ازاي 6/11 درصد Si در درجه حرارت 577 سلسيوس تحول اتكتيك به صورت زيد انجام مي‌شود:

  ( 577درجه سلسيوس،Si6/11%)(مذاب)L

در ساختمان‌ها يوتكتيكي اين سيستم، Si به صورت تيغه هاي تيز كريستالي وجود دارد كه در زمين (محلول Si درAl) پخش شده است. در شرايط سرد كردن آهسته(تعادلي) تيغه‌هاي Si داراي شكل نامناسبي هستن و به همين دليل خواص مكانيكي آلياژ را تضعيف مي‌كنند. به منظور بهبود خواص كششي(استحكام كششي، انعطاف پذيري) بايستي به طريقي اين تيغه‌ها با اشكال نامناسب، ريز و اصلاح گردند. اگر آلياژهاي اتكتيكيSi –Al از حالت مذاب به سرعت سرد شوند و يا حاوي مقداري سديم يا پتاسيم فلزي و يا نمكي از اين عناصر باشند، درآن صورت درجه حرارت اتكتيك اين آلياژها كاهش يافته و تركيب اتكتيك به طرف درصدهاي بالاتري از سليسيم منتقل مي‌گردد. اين اثرات تحت عنوان اصلاح اتكتيكي، ناميده مي‌شود.

ذرات سيليسم اوليه(نواحي درشت و تيره) را مي‌توان در آلياژ بدون سديم مشاهده نمود، كه نشان دهنده انتقال اتكتيك در اثر اين تغيير است.