Кіріспе
Металлография – микроскопияны қолдану арқылы металдардың физикалық құрылымын және құрамын зерттеу. Керамикалық және полимерлік материалдар да металлографиялық әдістермен дайындалуы мүмкін, сондықтан керамикаграфия, пластография және жиынтығында материалграфия терминдері қолданылады.
Metallography is the study of the physical structure and components of metals, by using microscopy. Ceramic and polymeric materials may also be prepared using metallographic techniques, hence the terms ceramography, plastography and, collectively, materialography.
Металлографиялық үлгілерді дайындау
Металлографиялық үлгінің беті әртүрлі ұнтақтау, жылтырату және тегістеу әдістерімен дайындалады. Дайындалғаннан кейін, ол оптикалық немесе электрондық микроскопия арқылы талданады. Тек металлографиялық техникаларды қолдана отырып, тәжірибелі техник қорытпаларды анықтап, материалдың қасиеттерін болжауға болады. Механикалық дайындау – ең көп қолданылатын дайындау әдісі. Үлгі бетінен материалды алып тастау үшін күрт кезеңде ұсақ абразивті бөлшектер қолданылады, осылайша қажетті беттік сапаға қол жеткізіледі. Бұл ұнтақтау және жылтырату үшін әртүрлі талаптарды (сапа, өнімділік және қайта жаңарту) қанағаттандыра алатын көптеген машиналар бар. Жүйелі дайындау әдісі – нақты құрылымды анықтаудың ең оңай жолы. Сондықтан, үлгіні дайындау кезінде көптеген материалдарға сәйкес келетін қағидаларды сақтау қажет. Ұқсас қасиеттері бар (қаттылығы мен серпімділігі) әртүрлі материалдар бірдей реакция көрсетеді және дайындау кезінде бірдей материалдарды қажет етеді. Металлографиялық үлгілер әдетте ыстық қысыммен бекітілетін термопластикалық шайырмен "бекітіледі". Бұрын фенолді термопластикалық шайырлар қолданылған, бірақ қазіргі эпоксидтік шайырлар көбірек таралған, себебі қатаю кезінде азаятын қысқару жақсырақ бекітуді және шеттерінің сақталуын қамтамасыз етеді. Типик бекіту циклы үлгі мен бекіту ортасын қысып, белгілі температураға дейін қыздырады. Егер үлгі температураға өте сезімтал болса, "суық бекіту" екі компонентті эпоксидтік шайырды қолдану арқылы жасалуы мүмкін. Үлгіні бекіту – ұнтақтау және жылтырату операциялары кезінде үлгіні ұстаудың қауіпсіз, стандартталған және эргономикалық тәсілін ұсынады. Бекіткеннен кейін, металл бетін ашу үшін үлгі ылғалды ұнтақтауға ұшыратылады. Үлгі күрт кезеңде ұсақ абразивті материалдармен ұнтақталады. Кремний карбиді абразивті қағазы ұнтақтаудың алғашқы әдісі болды және бүгінгі күнге дейін қолданылады. Алайда, көптеген металлографтар жылтырату процесінде қайта пайдаланылатын маталық төсемге жағылатын алмаз ұнтағының суспензиясын пайдалануды жөн көреді. Суспензиядағы алмаз ұнтағы 9 микрометрден басталып 1 микрометрге дейін болуы мүмкін. Жалпы, алмаз суспензиясымен жылтырату кремний карбиді қағазын пайдаланудан жақсы нәтиже береді, әсіресе кремний карбиді қағазы кейде "жарып" беретін тесіктерді анықтауда. Үлгі ұнтақталғаннан кейін жылтырату жүргізіледі. Әдетте, үлгі алюминий, кремний немесе алмаз ұнтағының суспензиясымен шүберексіз матаға жылтыратылып, сызықтарсыз, жарықтарсыз, сүйреулерсіз және дайындау процесінен қалған минималды деформациямен айна тәрізді бетке жеткізіледі. Жылтыратқаннан кейін, микроскоп арқылы микроқұрылымның кейбір элементтерін көруге болады, мысалы, қоспалар мен нитридтер. Егер кристалдық құрылым кубтық емес болса (мысалы, Ti немесе Zr сияқты алтыбұрышты жабық кристалдық құрылымды металл), микроқұрылымды тегістеусіз, қиылысқан поляризацияланған жарықпен (жарық микроскопиясы) көруге болады. Әйтпесе, үлгідегі микроқұрылымдық элементтер сәйкес химиялық немесе электролиттік тегістеуші затты қолдану арқылы анықталады. Бұзылмайтын беттік талдау әдістері кептірілгеннен кейін жұқа пленканы немесе лакты алып тастап, микроскоппен қарауға болатын жұқа пленканы немесе лакты жағуды қамтиды. Бұл әдіс 1957 жылы Пьер Арман Жакке және басқалармен әзірленген.
Талдау әдістері
Металлографиялық талдау кезінде көптеген микроскопиялық әдістер қолданылады. Дайындалған сынамаларды балқытудан кейін, балқытуға қалыпты жағдайдан өзгеше жауап берген көзге көрінетін аймақтарды анықтау үшін қарапайым көзбен тексеру қажет. Бұл микроскопиялық зерттеуді қай жерде қолдану керектігін анықтауға көмектеседі. Жеңіл оптикалық микроскопия (ЖОМ) зерттеуі, кез келген электрондық металлографиялық (ЭМ) әдісінен бұрын жүргізілуі тиіс, себебі олардың орындалуы көбірек уақытты алады және құралдары әлдеқайда қымбат. Сонымен қатар, кейбір ерекшеліктерді ЖОМ арқылы жақсы байқауға болады, мысалы, құраушының табиғи түсі ЖОМ-да көрінеді, ал ЭМ жүйелерінде көрінбейді. Атап айтқанда, салыстырмалы түрде төмен ұлғайтудағы (мысалы, <500X) микроқұрылымдардың бейне контрасты сканерлік электрондық микроскопқа (SEM) қарағанда ЖОМ-да әлдеқайда жақсы, ал беріліс электрондық микроскоптар (TEM) әдетте 2000-3000X-тан төмен ұлғайтуда қолданылмайды. ЖОМ зерттеуі жылдам және үлкен аумақты қамти алады. Осылайша, талдау SEM немесе TEM қолданылатын, қымбат әрі уақытты көп қажет ететін зерттеу әдістерінің қажеттігін және жұмыстың қай жерде шоғырланғанын анықтай алады.
Дизайн, ажырату қабілеті және кескіннің контрасты
Жарық микроскоптары үлгінің жылтыратылған бетін үлгі сатысына тік немесе кері орналастыру үшін жасалған. Әр түрдің артықшылықтары мен кемшіліктері бар. Көптеген LOM жұмыстары 50 мен 1000X арасындағы ұлғайтумен жүзеге асырылады. Дегенмен, жақсы микроскоппен, егер кескінді бұрмалайтын дифракциялық жиектер болмаса, 2000X және тіпті одан да жоғары ұлғайтуда зерттеу жүргізуге болады. Алайда, LOM-ның ажыратымдылық шегі шамамен 0,2-0,3 микрометрден аспауы керек. 50X-тен төмен ұлғайтуда арнайы әдістер қолданылады, бұл құйма үлгілердің микроқұрылымын зерттеуде өте пайдалы болуы мүмкін, мұнда дендриттер сияқты ерекшеліктерді байқау үшін көріс өрісінде кеңірек аумақ қажет болуы мүмкін. Оптиканың ажыратымдылығын ескеруден басқа, бейне контрастын максималды деңгейге жеткізу арқылы көрінуді де арттыру қажет. Мінездемесі өте жақсы ажыратымдылыққа ие микроскоп, егер бейне контрасты нашар болса, сол құрылымды бейнелей алмайды, яғни көрінбейді. Бейне контрасты оптиканың сапасына, линзалардың жабынғасына, жарқырау мен шағылысуды азайтуға байланысты; бірақ, сонымен қатар үлгіні дұрыс дайындау және тиімді гравировкалау (эчинг) техникаларын да талап етеді. Жақсы бейнелер алу үшін максималды ажыратымдылық пен бейне контрасты қажет.
Жарық және қара өрістегі микроскопия
Көптеген LOM байқаулары жарық өрісті (BF) жарықтандыру арқылы жүргізіледі, онда жарық жолына перпендикуляр жазық нысанның бейнесі жарық немесе ақ болып көрінеді. Бірақ, басқа жарықтандыру әдістерін де қолдануға болады және кейбір жағдайларда олар көбірек егжей-тегжейлі, сапалырақ бейнелерді ұсынуы мүмкін. Қараңғы өріс микроскопиясы (ҚМ) – бұл балама бақылау әдісі, ол жоғары контрастты бейнелерді және жарық өрісінен артық ажыратымдылықты қамтамасыз етеді. Қараңғы өріс жарықтандыруда оптикалық оське перпендикуляр нысандардан келетін жарық тоқтатылады және олар қараңғы болып көрінеді, ал бетке еңкейген нысандар, жарық өрісінде қараңғы көрінетін болса, қараңғы өрісте жарқын немесе «өздігінен сәулеленетін» болып көрінеді. Мысалы, дән шекаралары қараңғы өрісте жарық өрісіне қарағанда жақсы көрінеді.
Поляризделген жарық микроскопиясы
Поляризацияланған жарық (ПЛ) кубтық емес кристалдық құрылымы бар металдарды зерттеуде өте пайдалы (атап айтқанда, гексагональды тығыз жиналған (hcp) кристалдық құрылымдары бар металдар). Егер сынаманың беті минимал зақымданумен дайындалса, құрылымын кросс-поляризацияланған жарықта (поляризатор мен анализатордың оптикалық осьтері бір-біріне 90 градус бұрышпен орналасқан, яғни қиылысқан) жақсы көруге болады. Кейбір жағдайларда, hcp металлдарды химиялық жолмен тегістеп, содан кейін ПЛ арқылы тиімдірек зерттеуге болады. Түсті тегістелген беттер, яғни бетке эпитаксиальды түрде жұқа пленка (мысалы, сульфид, молибдат, хромат немесе элементар селен пленкасы) өсіріліп, оның қалыңдығы интерференциялық эффектілер тудыратын және BF арқылы қарағанда түрлі-түсті суреттер беретіндей етіп жасалса, ПЛ арқылы одан да жақсартуға болады. Егер жақсы түсті интерференциялық пленка алу қиын болса, түстерді сезімтал реңк (ST) фильтрін қолданып, ПЛ арқылы қарау арқылы жақсартуға болады.
Дифференциалдық интерференциялық контраст микроскопиясы
Тағы бір пайдалы бейнелеу режимі – дифференциалдық интерференциялық контраст (DIC), ол көбінесе поляк физигі Жорж Номарски жасаған жүйе арқылы қол жеткізіледі. Бұл жүйе ең жақсы детальды көрсетеді. DIC жылтырату жазықтығындағы шамалы биіктік айырмашылықтарын, қараңғы дала режимінде (BF) көрінбейтін нәрсені, көрінетін детальға айналдырады. Кейбір жағдайларда деталь өте әсерлі және өте пайдалы болуы мүмкін. Егер ST фильтрі мен Волластон призмасы бірге қолданылса, түс пайда болады. Түстер Волластон призмасын реттеу арқылы басқарылады және өзіндік нақты физикалық мағынаға ие емес. Алайда, көріну қабілеті жақсаруы мүмкін.
Көлбеу жарықтандыру
DIC негізінен 1975 жылға дейін кері жарық микроскоптарында қолданылған ескі көлбеу жарықтандыру (OI) әдісін ығыстырды. Көлбеу жарықтандыруда тік жарықтандырғыш перпендикулярдан смещается, бұл биіктік айырмашылықтарын көрсететін көлеңкелі эффектіні тудырады. Бұл процедура ажыратымдылықты төмендетеді және көру өрісінде біркелкі емес жарықтандыруға әкеледі. Дегенмен, екінші фазалық бөлшектің жылтырату жазықтығынан жоғары тұра ма, әлде төмендеу орналасқандығын анықтау қажет болғанда көлбеу жарықтандыру пайдалы болды және қазір де кейбір микроскоптарда қолданылады. Көлбеу жарықтандыруды кез келген микроскопта, ұстағыштың бір бұрышының астына қағаз қою арқылы жасауға болады, сонда жылтырату жазықтығы оптикалық оське перпендикуляр болмайды.
Скандық және таратушы электронды микроскоптар
Егер үлгіні жоғары үлкейтуде қарастыру қажет болса, оны сканерлік электронды микроскоппен (СЭМ) немесе трансмиссиялық электронды микроскоппен (ТЭМ) зерттеуге болады. Энергияны шашырататын спектрометрмен (EDS) жабдықталған жағдайда микроқұрылымдық ерекшеліктердің химиялық құрамын анықтауға болады. Көміртек, оттегі және азот сияқты атомдық саны төмен элементтерді анықтау қабілеті қолданылатын детектордың түріне байланысты. Бірақ, осы элементтерді EDS арқылы сандық өлшеу қиын, ал олардың анықтау шегі толқындық ұзындықты шашырататын спектрометрді (WDS) қолданғандағыдан жоғары. Дегенмен, EDS арқылы құрамын сандық өлшеу уақыт өте келе үлкен жетістіктерге жетті. WDS жүйесі тарихи тұрғыдан EDS-ке қарағанда жоғары сезімталдыққа (элементтің азын-ау мөлшерін анықтау қабілетіне) және атомдық салмағы төмен элементтерді анықтауға, сондай-ақ құрамын дәл сандық өлшеуге ие болды, бірақ оны пайдалануға көбірек уақыт кетті. Соңғы жылдары WDS талдауын жүргізуге қажетті жылдамдық едәуір артты. Тарихи жағдайда, EDS СЭМ-мен, ал WDS электронды микропробалық анализатормен (EMPA) қолданылды. Бүгінде EDS және WDS СЭМ және EMPA екеуімен де қолданылады. Алайда, арнайы EMPA СЭМ сияқты кең таралған емес.
Рентген сәулелерін дифракциялау әдістері
Микроқұрылымдарды сипаттау көптеген жылдар бойы рентгендік дифракция (XRD) әдістерін қолдану арқылы жүзеге асырылып келеді. XRD-ны үлгідегі әртүрлі фазалардың проценттік мөлшерін анықтау үшін пайдалануға болады, егер олардың кристаллдық құрылымдары әртүрлі болса. Мысалы, қатайтылған болаттағы сақталған аустенит мөлшерін анықтау үшін XRD (ASTM E 975) ең қолайлы әдіс болып табылады. Егер нақты бір фазаны ірі үлгіден химиялық түрде бөліп алу мүмкін болса, оны кристаллдық құрылымы мен кристалдық тор өлшемдеріне сүйене отырып XRD арқылы анықтауға болады. Бұл жұмысты элементтік құрамын сандық бағалау үшін EDS және/немесе WDS талдауымен толықтыруға болады. Алайда, EDS және WDS 2-3 микрометрден кішкентай бөлшектерге қолдану қиын. Одан да кішкентай бөлшектер үшін дифракциялық әдістерді TEM арқылы жүргізуге болады, ал бөлшектерді матрицадан репликация әдістерімен бөліп алған жағдайда, матрицаның тұнбамен бірге анықталуын болдырмау үшін EDS талдауын орындауға болады.
Санаттық металлография
Металлографиялық үлгілерді сандық талдау үшін бірқатар техникалар бар. Бұл техникалар барлық металдар мен қорытпалар, сондай-ақ металл емес немесе композиттік материалдарды зерттеу және өндіруде маңызды. Микроқұрылымның сандық мөлшерлемесі үш өлшемді бөлшек немесе компонент арқылы дайындалған екі өлшемді жазықтықта жүзеге асырылады. Өлшемдерге қарапайым метрологиялық техникалар кіруі мүмкін, мысалы, беттік қаптаманың қалыңдығын немесе дискретті екінші фазалық бөлшектің көрінетін диаметрін (мысалы, иілгіш темірдегі сфералық графит) өлшеу. Өлшемдер үшін матрицалық және екінші фазалық құрылымдарды бағалау үшін стереологияны қолдану қажет болуы мүмкін. Стереология – бұл екі өлшемді қима жазықтығында 0, 1 немесе 2 өлшемді өлшемдерді жүргізу және микроқұрылымның мөлшерін, көлемін, пішінін немесе үш өлшемдегі таралуын бағалау саласы. Бұл өлшемдерді микроқұрылымға жабысатын шаблонды қолдану арқылы немесе автоматтандырылған бейне талдағыштармен қолмен жасауға болады. Барлық жағдайларда, өлшем үшін дұрыс статистикалық негіз алу үшін жеткілікті үлгі алу жүргізілуі тиіс. Кез келген қателіктерді жоюға күш салу қажет. Ең негізгі өлшемдерге фазаның немесе құрамдас бөліктің көлемдік үлесін анықтау, поликристалдық металдар мен қорытпалардағы дән өлшемін өлшеу, бөлшектердің мөлшері мен мөлшерінің таралуын өлшеу, бөлшектердің пішінін бағалау және бөлшектер арасындағы аралықты анықтау жатады. Стандарттау ұйымдары, соның ішінде ASTM International металлография жөніндегі E 4 комитеті және басқа да ұлттық және халықаралық ұйымдар микроқұрылымды сандық сипаттау қалай жүргізіледі екенін сипаттайтын стандартты сынақ әдістерін әзірледі. Мысалы, фазаның немесе құрамдас бөліктің мөлшері, яғни оның көлемдік үлесі ASTM E 562 стандартында анықталған; қолмен жүргізілетін дән өлшемі ASTM E 112 (бір мөлшерлік таралуы бар тең дән құрылымдары) және E 1182 (екі модульді дән мөлшерлік таралуы бар үлгілер) стандарттарында сипатталған; ал ASTM E 1382 стандартында бейне талдау әдістерін қолдану арқылы кез келген дән өлшемі түрін немесе жағдайын өлшеу қалай жүргізіледі екендігі сипатталған. Стандартты кестелерді пайдалану арқылы металл емес қосымшаларды сипаттау ASTM E 45 стандартында сипатталған (тарихи тұрғыдан алғанда, E 45 тек қолмен жасалған кестелік әдістерді қамтыды және мұндай кестелік өлшемдерді жасау үшін бейне талдау әдісі ASTM E 1122 стандартында сипатталған. Бейне талдау әдістері қазіргі уақытта E 45 стандартына енгізілуде). ASTM E 1245 стандартында металл емес қосымшалар, карбидтер, графит және т.б. сияқты дискретті екінші фазалық бөлшектерді сипаттаудың стереологиялық әдісі ұсынылған.