Металлография: Исследование структуры металлов с помощью микроскопии

Металлография: изучение структуры металлов с помощью микроскопии. Анализ сплавов, прогнозирование свойств материалов. Подготовка образцов, оптическая микроскопия.

10 мин чтения

100%

Источник: Metallography — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Изучение металлов с помощью микроскопии

Металлография – это исследование физической структуры и составляющих металлов с использованием микроскопии. Керамические и полимерные материалы также могут быть подготовлены с применением металлографических методов, отсюда и термины керамография, пластография и, обобщенно, материалография.

Подготовка металлографических образцов

Поверхность металлографического образца подготавливается различными методами шлифования, полировки и травления. После подготовки образец часто анализируется с помощью оптической или электронной микроскопии. Используя только металлографические методы, опытный техник может идентифицировать сплавы и прогнозировать свойства материала. Механическая подготовка является наиболее распространенным методом. Последовательно более мелкие абразивные частицы используются для удаления материала с поверхности образца до достижения требуемого качества поверхности. Существует множество различных машин для шлифования и полировки, способных удовлетворить различные требования к качеству, производительности и воспроизводимости. Систематический метод подготовки – самый простой способ получить истинную структуру. Поэтому подготовка образцов должна следовать правилам, подходящим для большинства материалов. Различные материалы с аналогичными свойствами (твердостью и пластичностью) будут реагировать схожим образом и, следовательно, потребуют одних и тех же расходных материалов в процессе подготовки. Металлографические образцы обычно “заливают” в термореактивную смолу горячего прессования. Ранее использовались фенольные термореактивные смолы, но современный эпоксид становится все более популярным, поскольку уменьшение усадки при отверждении обеспечивает лучшее качество заливки с превосходным удержанием краев. Типичный цикл заливки включает сжатие образца и заливочного материала и нагрев до определенной температуры. Когда образцы очень чувствительны к температуре, можно использовать “холодную заливку” с двухкомпонентной эпоксидной смолой. Заливка образца обеспечивает безопасный, стандартизированный и эргономичный способ его удержания во время операций шлифования и полировки. После заливки образец подвергается мокрому шлифованию для выявления поверхности металла. Образец последовательно шлифуется все более мелкими абразивными материалами. Абразивная бумага из карбида кремния была первым методом шлифования и до сих пор используется. Однако многие металлографы предпочитают использовать суспензию алмазного порошка, которая дозируется на многоразовую тканевую основу в процессе полировки. Размер алмазного порошка в суспензии может варьироваться от 9 микрометров до 1 микрометра. Как правило, полировка алмазной суспензией дает более тонкие результаты, чем использование бумаги из карбида кремния (SiC бумаги), особенно при выявлении пористости, которую бумага из карбида кремния иногда “размазывает”. После шлифования образца выполняется полировка. Обычно образец полируется суспензией оксида алюминия, диоксида кремния или алмаза на тканевой основе без ворса для получения зеркальной поверхности, свободной от царапин, размазывания, задиров и вытягиваний, с минимальной деформацией, оставшейся после процесса подготовки. После полировки некоторые микроструктурные составляющие, такие как включения и нитриды, можно увидеть в микроскопе. Если кристаллическая структура не кубическая (например, металл с гексагональной плотноупакованной кристаллической структурой, такой как Ti или Zr), микроструктуру можно выявить без травления с использованием поляризованного света (световой микроскопии). В противном случае микроструктурные составляющие образца выявляются с помощью подходящего химического или электролитического травителя. Методы неразрушающего поверхностного анализа могут включать нанесение тонкой пленки или лака, который можно удалить после высыхания и исследовать под микроскопом. Эта техника была разработана Пьером Армандом Жаке и другими в 1957 году.

The surface of a metallographic specimen is prepared by various methods of grinding, polishing, and etching. After preparation, it is often analyzed using optical or electron microscopy. Using only metallographic techniques, a skilled technician can identify alloys and predict material properties. Mechanical preparation is the most common preparation method. Successively finer abrasive particles are used to remove material from the sample surface until the desired surface quality is achieved. Many different machines are available for doing this grinding and polishing, which are able to meet different demands for quality, capacity, and reproducibility. A systematic preparation method is the easiest way to achieve the true structure. Sample preparation must therefore pursue rules which are suitable for most materials. Different materials with similar properties (hardness and ductility) will respond alike and thus require the same consumables during preparation. Metallographic specimens are typically "mounted" using a hot compression thermosetting resin. In the past, phenolic thermosetting resins have been used, but modern epoxy is becoming more popular because reduced shrinkage during curing results in a better mount with superior edge retention. A typical mounting cycle will compress the specimen and mounting media to and heat to a temperature of When specimens are very sensitive to temperature, "cold mounts" may be made with a two part epoxy resin. Mounting a specimen provides a safe, standardized, and ergonomic way by which to hold a sample during the grinding and polishing operations. After mounting, the specimen is wet ground to reveal the surface of the metal. The specimen is successively ground with finer and finer abrasive media. Silicon carbide abrasive paper was the first method of grinding and is still used today. Many metallographers, however, prefer to use a diamond grit suspension which is dosed onto a reusable fabric pad throughout the polishing process. Diamond grit in suspension might start at 9 micrometres and finish at one micrometre. Generally, polishing with diamond suspension gives finer results than using silicon carbide papers (SiC papers), especially with revealing porosity, which silicon carbide paper sometimes "smear" over. After grinding the specimen, polishing is performed. Typically, a specimen is polished with a slurry of alumina, silica, or diamond on a napless cloth to produce a scratch free mirror finish, free from smear, drag, or pull outs and with minimal deformation remaining from the preparation process. After polishing, certain microstructural constituents can be seen with the microscope, e. g., inclusions and nitrides. If the crystal structure is non cubic (e. g., a metal with a hexagonal closed packed crystal structure, such as Ti or Zr) the microstructure can be revealed without etching using crossed polarized light (light microscopy). Otherwise, the microstructural constituents of the specimen are revealed by using a suitable chemical or electrolytic etchant. Non destructive surface analysis techniques can involve applying a thin film or varnish that can be peeled off after drying and examined under a microscope. The technique was developed by Pierre Armand Jacquet and others in 1957.

Методы анализа

В металлографическом анализе используется множество различных методов микроскопии. После травления готовые образцы следует осматривать невооруженным глазом для выявления участков, которые отреагировали на травитель иначе, чем ожидалось, что служит ориентиром для выбора областей для микроскопического исследования. Исследование с помощью световой оптической микроскопии (ЛОМ) всегда должно проводиться перед применением электронной металлографии (ЭМ), поскольку методы ЭМ более трудоемки и требуют более дорогостоящего оборудования. Более того, некоторые особенности лучше всего видны при использовании ЛОМ, например, естественный цвет составляющей фазы можно увидеть в ЛОМ, но не в ЭМ-системах. Также, контрастность изображений микроструктур при относительно малых увеличениях, например, менее 500X, значительно выше в ЛОМ, чем в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ), в то время как просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) обычно не могут использоваться при увеличениях ниже 2000-3000X. Исследование с помощью ЛОМ выполняется быстро и позволяет охватить большую площадь. Таким образом, анализ позволяет определить, необходимы ли более дорогостоящие и трудоемкие методы исследования с использованием СЭМ или ПЭМ, и на каких участках образца следует сосредоточить работу.

Конструкция, разрешение и контраст изображения

Световые микроскопы предназначены для размещения полированной поверхности образца на предметном столике либо вертикально, либо инвертированно. Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки. Большинство исследований с использованием LOM проводится при увеличениях от 50 до 1000X. Однако, при наличии хорошего микроскопа, возможно проведение исследований при более высоких увеличениях, например, 2000X и даже выше, при условии отсутствия дифракционных полос, искажающих изображение. Тем не менее, предел разрешения LOM не превышает 0,2–0,3 микрометра. Специальные методы используются при увеличениях ниже 50X, что может быть очень полезно при изучении микроструктуры литых образцов, когда для наблюдения таких элементов, как дендриты, требуется больший охват поля зрения. Помимо учета разрешения оптики, необходимо также максимизировать видимость за счет повышения контрастности изображения. Микроскоп с отличным разрешением может оказаться неспособным визуализировать структуру, то есть она будет невидима, если контрастность изображения низкая. Контрастность изображения зависит от качества оптики, покрытий линз и уменьшения бликов и отражений, но также требует правильной подготовки образца и применения эффективных методов травления. Таким образом, для получения качественных изображений необходимо обеспечить максимальное разрешение и контрастность.

Микроскопия яркого и темного полей

Большинство наблюдений LOM проводятся с использованием светлого поля (BF) освещения, при котором изображение любой плоской структуры, перпендикулярной направлению падающего света, выглядит ярким или белым. Однако могут использоваться и другие методы освещения, которые в некоторых случаях позволяют получить изображения с большей детализацией и превосходным качеством. Темнопольная микроскопия (DF) – это альтернативный метод наблюдения, обеспечивающий изображения с высокой контрастностью и, фактически, с более высоким разрешением, чем при использовании светлого поля. В темнопольном освещении свет от структур, перпендикулярных оптической оси, блокируется и выглядит темным, в то время как свет от структур, наклоненных к поверхности, которые выглядят темными в светлом поле (BF), выглядят яркими или "самосветящимися" в темнопольном поле (DF). Например, границы зерен более отчетливо видны в DF, чем в BF.

Поляризованная световая микроскопия

Поляризованный свет (PL) очень полезен при изучении структуры металлов с некубическими кристаллическими структурами (в основном металлов с гексагональной плотноупакованной (hcp) кристаллической структурой). Если образец подготовлен с минимальным повреждением поверхности, структура может быть отчетливо видна в скрещенных поляризованных лучах (оптические оси поляризатора и анализатора расположены под углом 90 градусов друг к другу, то есть скрещены). В некоторых случаях металл с ГПУ может быть подвергнут химическому травлению, а затем более эффективно исследован с помощью PL. Травленые поверхности, на которых тонкая пленка (например, сульфидная, молибдатная, хроматная или элементарная пленка селена) эпитаксиально выращена на поверхности до глубины, где при исследовании в светлом поле создаются интерференционные эффекты, формирующие цветное изображение, могут быть улучшены с помощью PL. Если сложно получить качественную интерференционную пленку с хорошей цветовой гаммой, цвета можно улучшить, исследуя образец в PL с использованием чувствительного оттенкового (ST) фильтра.

Дифференциальная интерференционная контрастная микроскопия

Другой полезный режим визуализации — дифференциальный интерференционный контраст (DIC), который обычно достигается с помощью системы, разработанной польским физиком Жоржем Номарски. Эта система обеспечивает наилучшую детализацию. DIC преобразует незначительные перепады высоты на поверхности шлифовки, невидимые в поле зрения при ярком поле (BF), в видимые детали. Детализация в некоторых случаях может быть весьма выразительной и очень полезной. При использовании ST-фильтра вместе с призмой Волластона появляется цветность. Цвета регулируются настройкой призмы Волластона и сами по себе не имеют какого-либо конкретного физического смысла, но могут улучшить видимость.

Наклонное освещение

DIC во многом заменил более раннюю технику наклонного освещения (OI), которая была доступна на отражающих световых микроскопах до примерно 1975 года. В методе OI вертикальный осветитель смещается от перпендикуляра, создавая эффекты затенения, которые выявляют разницу в высоте. Эта процедура снижает разрешение и приводит к неравномерному освещению по всему полю зрения. Тем не менее, OI был полезен, когда требовалось определить, возвышается ли частица второй фазы над плоскостью полировки или углублена в неё, и до сих пор доступен на некоторых микроскопах. OI можно имитировать на любом микроскопе, подложив кусочек бумаги под один угол образца, чтобы плоскость полировки перестала быть перпендикулярной оптической оси.

Сканирующие и передающие электронные микроскопы

Если образец необходимо наблюдать при большем увеличении, его можно исследовать с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) или просвечивающего электронного микроскопа (TEM). При оснащении энергодисперсионным спектрометром (EDS) можно определить химический состав микроструктурных особенностей. Способность обнаруживать элементы с низким атомным номером, такие как углерод, кислород и азот, зависит от типа используемого детектора. Однако количественное определение этих элементов с помощью EDS затруднено, и их пределы обнаружения выше, чем при использовании волнодисперсионного спектрометра (WDS). Но количественное определение состава с помощью EDS значительно улучшилось со временем. Система WDS исторически обладала лучшей чувствительностью (способностью обнаруживать малые количества элемента) и способностью обнаруживать элементы с низким атомным весом, а также более точным количественным определением состава по сравнению с EDS, но работа с ней была медленнее. В последние годы скорость проведения анализа WDS также значительно возросла. Исторически EDS использовался совместно с SEM, а WDS – с электронным микрозондовым анализатором (EMPA). Сегодня EDS и WDS используются как с SEM, так и с EMPA. Однако специализированные EMPA встречаются реже, чем SEM.

Техника рентгеновской дифракции

Характеризация микроструктур также проводится с использованием методов рентгеновской дифракции (XRD) на протяжении многих лет. XRD позволяет определять процентное содержание различных фаз в образце, если они обладают различными кристаллическими структурами. Например, содержание остаточного аустенита в закаленной стали наиболее точно измеряется методом XRD (ASTM E 975). Если определенную фазу можно химически выделить из массивного образца, ее можно идентифицировать с помощью XRD на основе кристаллической структуры и параметров решетки. Эта работа может быть дополнена анализом EDS и/или WDS для количественного определения химического состава. Однако применение EDS и WDS затруднено для частиц диаметром менее 2-3 микрометров. Для частиц меньшего размера дифракционные методы могут быть использованы в TEM для идентификации, а анализ EDS может быть выполнен на мелких частицах, если они извлечены из матрицы с использованием репликационных методов, чтобы избежать одновременного детектирования матрицы и выделений.

Количественная металлография

Существует ряд методов количественного анализа металлографических образцов. Эти методы имеют большое значение в исследованиях и производстве всех металлов и сплавов, а также неметаллических или композитных материалов. Количественная оценка микроструктуры выполняется на подготовленной двухмерной плоскости, представляющей собой сечение трехмерной детали или компонента. Измерения могут включать простые метрологические методы, например, измерение толщины поверхностного покрытия или кажущегося диаметра дискретной частицы второй фазы (например, сфероидального графита в ковком чугуне). Для измерения также может потребоваться применение стереологии для оценки структуры матрицы и второй фазы. Стереология – это область, занимающаяся проведением измерений в 0, 1 или 2 измерениях на двухмерной плоскости сечения и оценкой количества, размера, формы или распределения микроструктуры в трех измерениях. Эти измерения могут выполняться вручную с использованием шаблонов, накладываемых на микроструктуру, или с помощью автоматизированных анализаторов изображений. Во всех случаях необходимо проводить адекватный отбор проб для получения надежной статистической основы измерений. Требуются усилия для минимизации погрешностей. К числу наиболее основных измерений относятся определение объемной доли фазы или компонента, измерение размера зерна в поликристаллических металлах и сплавах, измерение размера и распределения частиц по размерам, оценка формы частиц и расстояния между ними. Организации по стандартизации, включая Комитет E 4 по металлографии ASTM International и другие национальные и международные организации, разработали стандартные методы испытаний, описывающие, как проводить количественную характеристику микроструктур. Например, количество фазы или компонента, то есть ее объемная доля, определяется в ASTM E 562; ручные измерения размера зерна описаны в ASTM E 112 (для эквиа́ксиальных структур зерна с одномодальным распределением) и E 1182 (для образцов с бимодальным распределением размера зерна); в то время как ASTM E 1382 описывает, как измерять любой тип или состояние размера зерна с использованием методов анализа изображений. Характеризация неметаллических включений с использованием стандартных шкал описана в ASTM E 45 (исторически ASTM E 45 охватывал только ручные методы с использованием шкал, а метод анализа изображений для проведения таких измерений был описан в ASTM E 1122. В настоящее время методы анализа изображений интегрируются в ASTM E 45). Стереологический метод для характеристики дискретных частиц второй фазы, таких как неметаллические включения, карбиды, графит и т. д., представлен в ASTM E 1245.

A number of techniques exist to quantitatively analyze metallographic specimens. These techniques are valuable in the research and production of all metals and alloys and non metallic or composite materials. Microstructural quantification is performed on a prepared, two dimensional plane through the three dimensional part or component. Measurements may involve simple metrology techniques, e. g., the measurement of the thickness of a surface coating, or the apparent diameter of a discrete second phase particle, (for example, spheroidal graphite in ductile iron). Measurement may also require application of stereology to assess matrix and second phase structures. Stereology is the field of taking 0 , 1 or 2 dimensional measurements on the two dimensional sectioning plane and estimating the amount, size, shape or distribution of the microstructure in three dimensions. These measurements may be made using manual procedures with the aid of templates overlaying the microstructure, or with automated image analyzers. In all cases, adequate sampling must be made to obtain a proper statistical basis for the measurement. Efforts to eliminate bias are required. Some of the most basic measurements include determination of the volume fraction of a phase or constituent, measurement of the grain size in polycrystalline metals and alloys, measurement of the size and size distribution of particles, assessment of the shape of particles, and spacing between particles. Standards organizations, including ASTM International's Committee E 4 on Metallography and some other national and international organizations, have developed standard test methods describing how to characterize microstructures quantitatively. For example, the amount of a phase or constituent, that is, its volume fraction, is defined in ASTM E 562; manual grain size measurements are described in ASTM E 112 (equiaxed grain structures with a single size distribution) and E 1182 (specimens with a bi modal grain size distribution); while ASTM E 1382 describes how any grain size type or condition can be measured using image analysis methods. Characterization of nonmetallic inclusions using standard charts is described in ASTM E 45 (historically, E 45 covered only manual chart methods and an image analysis method for making such chart measurements was described in ASTM E 1122. The image analysis methods are currently being incorporated into E 45). A stereological method for characterizing discrete second phase particles, such as nonmetallic inclusions, carbides, graphite, etc., is presented in ASTM E 1245.