متالوگرافی و دستگاه های مورد استفاده

متالوگرافی چیست؟

متالوگرافی (Metallography) شاخه‌ای حیاتی از علم مواد است که به بررسی دقیق ریزساختار (Microstructure) فلزات، آلیاژها و حتی برخی مواد سرامیکی یا کامپوزیتی می‌پردازد. این علم بر این اصل استوار است که خواص ماکروسکوپی یک ماده (مانند استحکام، چقرمگی، رسانایی و مقاومت به خوردگی) به‌طور مستقیم تحت تأثیر آرایش اتمی و ساختار دانه‌ای آن در مقیاس بسیار کوچک قرار دارد.

هدف اصلی متالوگرافی، استخراج اطلاعات ساختاری از طریق آماده‌سازی دقیق نمونه و مشاهده آن زیر میکروسکوپ‌های پیشرفته است. این مشاهدات امکان می‌دهد تا ارتباط بین تاریخچه فرآوری ماده (عملیات حرارتی، تغییر شکل پلاستیک) و ویژگی‌های نهایی آن مشخص شود.

در واقع، متالوگرافی زبان مشترک مهندسان مواد و طراحان برای تضمین عملکرد مطمئن قطعات در شرایط کاری دشوار است.

اهمیت متالوگرافی در مهندسی

• کنترل کیفیت (QC): اطمینان از اینکه مواد خام و محصولات نهایی دارای ریزساختار مورد نیاز (مانند اندازه دانه، توزیع فازها، و عدم وجود ناخالصی‌ها یا ترک‌های ریز) هستند.
• تحلیل شکست (Failure Analysis): تشخیص علت خرابی یک قطعه با بررسی نشانه‌های ریزساختاری در محل شکست.
• توسعه مواد (R&D): ارزیابی تأثیر تغییر ترکیب شیمیایی یا پارامترهای عملیاتی (مانند سرعت سرد شدن) بر ساختار و خواص ماده.

مراحل اصلی متالوگرافی: فرآیند آماده‌سازی نمونه

آماده‌سازی نمونه تعیین‌کننده کیفیت نهایی تصویر میکروسکوپی است. هرگونه نقص در این مراحل باعث خطا در تفسیر ساختار می‌شود. فرآیند استاندارد شامل پنج گام است:

1. برش نمونه (Sectioning):

جداسازی بخش کوچکی از قطعه اصلی بدون تغییر ساختار ناحیه مورد نظر. برش باید با حداقل حرارت و تنش انجام شود.

دستگاه مورد استفاده: دستگاه برش دقیق با دیسک ساینده الماسی یا سیلیکون کاربید و سیستم خنک‌کننده.

2. مانت کردن (Mounting):

نمونه‌های کوچک یا نامنظم در قالب رزینی محصور می‌شوند.

• مانت سرد: رزین اپوکسی یا آکریلیک در دمای اتاق (بدون حرارت، زمان خشک شدن طولانی‌تر).
• مانت گرم: رزین فنولیک یا ملامین تحت فشار 3000 psi و دمای °C 150، سریع‌تر و با سطح سخت‌تر.

3.سنباده‌زنی (Grinding):

برای حذف لایه‌های آسیب‌دیده ناشی از برش و صاف شدن سطح، با کاغذ سیلیکون کاربید از زبری 60 تا 2500 انجام می‌شود. جهت سنباده زنی در هر مرحله 90 درجه با مرحله قبل متفاوت است.

4.پولیش­کاری (Polishing):

فرآیندی ظریف‌تر برای حذف خراش‌های میکروسکوپی و ایجاد سطح آینه‌ای بدون تنش.

• پولیش خشن: با سوسپانسیون الماسی 6 و 3 میکرومتر.
• پولیش نهایی: با ذرات سیلیکا یا آلومینا 0.05 میکرومتر.

5.اچ (Etching):

پس از پولیش، سطح کاملا یکنواخت است و باید با اچ یا حکاکی انتخابی از یک محلول خورنده (مانند نایتال – نیتریک در اتانول یا فریک کلراید) برای ایجاد کنتراست فازی استفاده می­شود تا مرز دانه‌ها، فازها نمایان شوند.

دستگاه‌ها و تجهیزات متالوگرافی

1. دستگاه برش (Cut‑off Machine):

دارای دیسک ساینده الماس، سیستم خنک‌کننده و هد برش اتوماتیک با کنترل میزان فشار در هنگام برشکاری.

2. دستگاه مانت (Mounting Press):

شامل سیلندر هیدرولیک، المنت گرمایشی و کنترل دما و فشار (۲۰ تا ۴۰ مگاپاسکال در ۱۸۰–۱۲۰ درجه سانتی‌گراد).

3. دستگاه سنباده و پولیش (Grinding & Polishing Unit):

موتور دور متغیر با سرعت دوران بین 100 تا 1000 دور بردقیقه، دیسک دستگاه پولیشر را دوران می­دهد. روی دیسک دستگاه کاغذ سنباده یا نمد مخصوص پولیش چسبانده شده است. سپس نمونه متالوگرافی با پاشش آب یا سوسپانسیون آب و مواد ساینده با سیستم تغذیه خودکار اضافه می­شوند. بعد از گذشت زمان مناسب نمونه کاملا صیقلی و به اصطلاح آینه­ای می­شود.

4. میکروسکوپ نوری متالوگرافی (Optical Microscope):

مبتنی بر نور بازتابی (Reflected Light) با لنزهای 5×، 10×، 20×، 50×، 100× و بزرگنمایی کل تا 1000×.

5. میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM):

با پرتو الکترونی و آشکارساز الکترون‌های ثانویه تصاویر با وضوح نانومتری تولید می‌کند. این تجهیز نوعا مجهز به طیف‌سنج پراش انرژی X (EDS) برای آنالیز عنصری است.

6. تجهیزات اندازه‌گیری و آنالیز تصویر:

با استفاده از نرم‌افزار تحلیل تصویر برای اندازه دانه (ASTM E112)، می­توان درصد فازهای مختلف و توزیع آنها را تعیین کرد.

کاربردهای متالوگرافی در صنعت

1. کنترل کیفیت مواد اولیه و محصول نهایی:

تشخیص ناهمگنی‌های شیمیایی یا توزیع نامناسب فازها در شمش ها و قطعات نهایی.

2. تحلیل شکست ( Failure Analysis ):

بررسی شکست به‌دلایلی مانند خستگی ( Fatigue Failure ) یا  شکست هیدروژنی (Hydrogen  Embrittlement).

3. ارزیابی عملیات حرارتی و جوشکاری:

تعیین تغییر فازها (فریت، پرلیت، بینیت، مارتنزیت) و بررسی ناحیه متأثر از حرارت (HAZ).

4. طراحی و توسعه آلیاژهای جدید:

بررسی یکنواختی فازها و توزیع ذرات تقویت‌کننده در فرآیند ریخته‌گری یا عملیات حرارتی.

متالوگرافی در SANAT CERAM

شرکت SANAT CERAM به‌عنوان پیشگام در تولید تجهیزات آزمایشگاهی اهمیت ویژه‌ای برای متالوگرافی قائل است.

تجهیزات آزمایشگاه متالوگرافی این شرکت مجهز به دستگاه­های برش نمونه، مانت نمونه، سیستم‌های پولیش نیمه و تمام اتوماتیک 

می­باشد.

جمع‌بندی

متالوگرافی پلی میان ساختار نانومتری و خواص ماکروسکوپی مواد است. از برش نمونه تا تحلیل SEM، تمامی مراحل ستون فقرات کنترل کیفیت و نوآوری در مهندسی مواد نوین را تشکیل می‌دهند.

در صنایع پیشرفته نظیر هوافضا، انرژی و خودروسازی، بدون دانش متالوگرافی نمی‌توان مواد با عملکرد بالا تولید کرد. تجربه SANAT CERAM نشان می‌دهد ادغام دقت علمی با فرآیند تولید منجر به محصولاتی می‌شود که نه تنها عملکردی، بلکه نمادی از هنر مهندسی هستند.