جمع آوری شده توسط پارسا احمدی ۲۰۲۱
سال‌ها پیش، مواد آهنی نادر بودند و تنها به‌عنوان بقایای شهاب‌سنگ یافت می‌شدند. از آهن و آلیاژهای آن فقط برای لوازم جانبی مانند اقلام فرهنگی یا جواهرات استفاده می‌شد. با شروع فرآیندهای متالورژی، ابتدا برای فرآوری مفرغ، آهن و آلیاژهای آن اهمیت پیدا کرد و برای مصارف مختلف از جمله ماشین آلات کشاورزی مورد استفاده قرار گرفت.

انقلاب صنعتی شاهد رشد سریع مهارت‌های فنی و دانش در مورد خواص شیمیایی و فیزیکی مواد بود. فناوری کوره بلند پیشرفت فرآیندهای متالوژیکی و مواد آهنی مختلف را امکان‌پذیر کرد و اکنون در بسیاری از ترکیبات شیمیایی تعریف‌شده شامل افزودنی‌های آلیاژی مانند اکسیژن یا کربن اعمال می‌شود. مواد آهنی امروزی از صدها آلیاژ و کاربردهای مربوط به آن‌ها تشکیل شده است.

سازنده و کاربر باید به خواص مواد و استفاده از آن‌ها وابسته باشند، به عنوان مثال به عنوان بخشی از یک ساختار پیچیده چند قسمتی. برای کنترل ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی، تهیه و آنالیز نمونه، به عنوان یک روش، در ابتدای تولید مواد آهنی ایجاد شد.

این مقاله نحوه انجام آماده‌سازی و تجزیه و تحلیل نمونه را بر روی چندین ماده آهنی رایج امروزی مورد بحث قرار می‌دهد و رویکردهای آن را با روش‌های آماده‌سازی پیشرفته که از جدیدترین مواد مصرفی و تجهیزات استفاده می‌کنند، مقایسه می‌کند.

عملیات حرارتی مواد آهنی

آماده‌سازی و تجزیه و تحلیل نمونه برای استفاده در کنترل فرآیند، تحقیق و توسعه و تجزیه و تحلیل شکست ایجاد شد. مواد با تنش زیاد به خواص مکانیکی مناسبی نیاز دارند تا از قابلیت اطمینان، الاستیسیته، انعطاف‌پذیری یا دوام بسته به کاربرد اطمینان حاصل شود.

فولادهای عملیات حرارتی معمولاً برای کاربردهای با اصطکاک بالا، مانند چرخ دنده، میله‌های فرمان و اجزای موتور استفاده می‌شوند. عملیات حرارتی شامل گرمایش و خنک کردن کنترل شده فلز یا آلیاژها در حالت جامد برای به دست آوردن خواص خاص است، این کار با اصلاح موضعی ریز ساختار آن انجام می‌شود. فرآیندهای عملیات حرارتی معمولی عبارتند از: بازپخت، فرونشاندن، عادی سازی، معتدل کردن یا کاهش استرس. برای مثال، چرخ‌های چرخ دنده باید سخت باشند و در برابر سایش سطح دندان‌های خود مقاومت کنند، اما برای جبران بی‌نظمی‌ها یا فرسودگی در طول فرآیند راه‌اندازی، باید در هسته خود کشسان باشند. یک روش معمول عملیات حرارتی سخت شدن القایی است که در آن سطح قطعه کار با متناوب یک جریان گردابی ناشی از ولتاژ گرم می شود. خاموش کردن مستقیم بعدی منجر به حفظ ساختار مارتنزیتی می‌شود.

عملیات حرارتی برای بسیاری از بخش‌های مصرف نهایی از جمله خودروسازی، ساخت و ساز خانه، هوانوردی، و برای چرخ‌های تیغ و غیره مهم است. فولادها را می‌توان با بیش از یک نوع روش عملیات حرارتی تقویت کرد. آلیاژهای غیرآهنی مس، آل، نیکل، تیتانیم یا منیزیم را نیز می‌توان تقویت کرد، اما نه به همان سطح و روش فولادها.

یکی دیگر از تکنیک‌های بهبود خواص مکانیکی، پخت شیمیایی-حرارتی سطح است، مانند کربور کردن یا نیترید کردن. در نیترید کردن قطعه کار در فضایی حاوی آمونیاک و هیدروژن نگهداری می‌شود. فشارهای جزئی تعریف شده در جو منجر به تشکیل نیترید در لایه سطحی می‌شود که منجر به تغییر سختی از هسته به سطح ماده می‌شود. برای مدیریت چنین اعماق سختی (مناطق انتشار نیترید که باید تشکیل شوند)، اندازه‌گیری‌های نوری بر روی مقاطع قابل ارزیابی است. برای هر دو مورد، نمونه باید به درستی برای انجام چنین معایناتی آماده شود.

آماده سازی نمونه کارآمد با استفاده از Planarmet™ 300 برای آهن و آلیاژهای آن

فرآیند آماده سازی نمونه

برای نمونه برداری از یک قطعه کار با ابعاد مناسب می‌توان از برش‌های ساینده برای برش استفاده کرد. این برش‌ها در اندازه‌ها و قطر چرخ‌های مختلف برای برش اندازه‌های مختلف قطعات کار وجود دارند. انتخاب صحیح چرخ کاتر گام اولیه برای شروع آماده سازی نمونه کارآمد است. بسته به سختی ماده، یک چرخ برش ساینده با اتصال ساینده مناسب باید انتخاب شود. معمولاً با افزایش سختی ماده‌ای که قرار است برش داده شود، استحکام پیوند کاهش می‌یابد. ذرات ساینده بیشتر در چرخ‌های با چسب نرم (برای مواد سخت) نسبت به چرخ‌های با چسب سخت منتشر می‌شوند.

انتخاب چرخ مناسب به کیفیت برش، پول و زمان بستگی دارد. حذف ذرات ساینده یک چرخ با چسب نرمتر بیشتر از یک چرخ با چسب سخت است. فرآیند زمان در هر برش نیز به چسبندگی ساینده چرخ بستگی دارد. انتخاب چرخ مناسب معمولاً به زمان، کیفیت و هزینه بستگی دارد. جدول 1 چرخ های ساینده توصیه شده برای مواد مختلف آهنی و پارامترهای مربوط به آن‌ها را برای AbrasiMatic™ 300 مجهز به چرخ های ساینده 12 اینچی (305 میلی متر) نشان می‌دهد.

جدول 1. چرخ ساینده و پارامترهای توصیه شده، بر اساس برش ساینده 12 اینچی (305 میلی متر) AbrasiMatic™ 300.

برای آسیاب درشت اولیه، از کاغذ آسیاب CarbiMet™ SiC برای حذف بیشتر مناطق تغییر شکل ایجاد شده در طول فرآیند برش استفاده می‌شود. کاربران همچنین می‌توانند به بهترین حالت حفظ لبه برای مراحل آماده سازی بعدی دست یابند، و اطمینان حاصل کنند که رسانه های سنگ زنی و پرداخت به طور یکنواخت و همگن در سراسر سطح نمونه در طول مراحل پرداخت ریز درشت توزیع شده‌اند. معمولاً یک کاغذ SiC حدود دو دقیقه (بسته به ماده نمونه) دوام می آورد. گاهی اوقات ممکن است چندین مقاله برای آماده سازی نمونه برای مراحل بعدی مورد نیاز باشد. در مواد نرم، ذرات SiC سست روی سطح جاسازی می‌شوند، و هنگام کار با مواد فریتی نرم، زمان‌های فشار و آسیاب باید تنظیم شود.

تنظیم چرخش نسبی نمونه به صفحه پایه را می‌توان انجام داد. معمولا حالت Contra به جای مکمل، تهاجمی است و منجر به نرخ بالاتر حذف مواد می‌شود. مراحل پولیش می تواند ناحیه تغییر شکل را به حداقل برساند و پس از آخرین مرحله پولیش، سطح نمونه براق و آماده برای بررسی یا اچ است.

روش بهبود یافته برای فولادهای معمولی و عملیات حرارتی در محیط‌های تولید

روش مورد بحث در بالا اصل آماده سازی بیشتر فلزات و آلیاژها را نشان می‌دهد. در کارخانه‌های تولید فولاد و کارگاه‌های سخت‌سازی، که نیاز به دستیابی به ظرفیت نمونه بالایی است، Buehler با استفاده از جدیدترین مواد مصرفی و تجهیزات، آماده‌سازی را به میزان قابل توجهی افزایش داده است. زمان چرخه فرآیند با افزایش نرخ حذف مواد پس از مرحله آسیاب اولیه بهبود یافته است.

PlanarMet™ 300 برای اولین و تنها مرحله سنگ زنی (شکل 1)، با سنگ آلومینا که به عنوان صفحه پایه عمل می‌کند، و با اندازه شن 120 برای دستیابی به سرعت حذف 400 میکرومتر در دقیقه استفاده می‌شود.

آسیاب سنگ PlanarMet™ 300

پس از برش، نمونه‌ها بر روی یک نگهدارنده نمونه نیرو قرار می‌گیرند و بر اساس اندازه نمونه می‌توان از آن‌ها به شکل‌های سوار نشده و نصب‌شده استفاده کرد. از این نگهدارنده نمونه می توان برای تمامی مراحل آماده سازی، کاهش زمان و پرهیز از برداشتن نمونه‌ها در داخل و خارج نگهدارنده بین مراحل استفاده کرد. وظیفه مهم تمیز کردن صحیح نمونه‌ها پس از مراحل آسیاب و پرداخت است تا اطمینان حاصل شود که هیچ ذرات ساینده مراحل قبلی مراحل بعدی را آلوده نمی‌کند. معمولاً از اتانول و آب به عنوان تصفیه کننده استفاده می‌شود.

جدول ۲ روش‌های آماده سازی برای سنگ زنی و پرداخت مواد مصرفی و پارامترهای فلزات و آلیاژهای مختلف را نشان می‌دهد.

برای روش‌های آماده سازی، اولین مرحله بعد از برش، آسیاب کردن نمونه‌ها به مدت یک دقیقه روی PlanarMet™ 300 است. چرخ آلومینا، با اندازه شن 120 [P120] (شکل 2)، و پارامترهای تنظیم شده مانند 30 نیوتن در هر نمونه. سرعت سر (سرعت پایه در 1500 دور در دقیقه) و چرخش نسبی سر و پایه، عمق پانسمان و چرخه پانسمان، با صرفه جویی در هزینه‌های مصرفی، حذف مداوم و ثابت مواد را تضمین می‌کند. بر اساس سختی مواد، MRR در محدوده 250-800 میکرومتر در دقیقه، با الگوی خراش یکنواخت است.

چرخ سنگ زنی بسیار بادوام برای سنگ زنی اولیه (آلومینا).

روش آماده سازی مواد آهنی نرم/متوسط ​​در جدول 3 نشان داده شده است. مرحله اولیه شامل آسیاب کردن به مدت یک دقیقه روی PlanarMet™ 300 است. پس از آسیاب، نمونه‌ها یکنواخت می‌شوند و قسمت مرکزی ناحیه تغییر شکل تحریک شده توسط برش برداشته می‌شود. الگوی خراش اصلاح می‌شود و ناحیه تغییر شکل به حدی کاهش می‌یابد که در یک مرحله پولیش 9 میکرومتری روی پارچه پولیش UltraPad™ کاهش می‌یابد. پارچه ابریشمی VerduTex™ بادوام به کار رفته با تعلیق الماس 3 میکرومتری، تغییر شکل ایجاد شده در مرحله پولیش قبلی را حذف می‌کند و مرحله پولیش نهایی در ChemoMet™ با رسانه پرداخت MasterPrep™ سطح نمونه آینه‌مانند و بدون تغییر شکل را فراهم می‌کند. تا این مرحله نمونه ها در نگهدارنده نمونه گیره می شدند. آماده سازی نمونه به پایان رسیده است و می توان آن را با میکروسکوپ بیشتر بررسی کرد.

روش آماده سازی برای مواد آهنی متوسط ​​تا سخت، به عنوان مثال فولادهای عملیات حرارتی شده، همانطور که در جدول 4 نشان داده شده است، شامل سه مرحله است. پس از آسیاب اولیه، با استفاده از PlanarMet 300، یک پولیش درشت 9 میکرومتر با استفاده از دیسک سنگ زنی سخت Apex™ Hercules S انجام می‌شود. دیسک Apex Hercules S برای فولادها مناسب است و اغلب برای پولیش با 6 یا 9 میکرومتر برای فولادهای سخت استفاده می شود. پس از 4 دقیقه مکث، الگوی خراش و تغییر شکل از مرحله آسیاب قبلی حذف شده و پرداخت نهایی انجام می‌شود. یک مرحله پولیش 3 میکرومتری روی پارچه‌های VerduTex یا MicroFloc به دلیل سختی و مقاومت بالاتر مواد در برابر ناخالصی‌های خارجی برای مرحله نهایی آماده سازی نمونه استفاده می‌شود.

نمونه‌ها را می‌توان برای بررسی ریزساختاری یا تست سختی استفاده کرد. هنگامی که نمونه ها لبه‌های تیز را نشان می‌دهند و نصب نمی‌شوند، پارچه پولیش MicroFloc برای مرحله نهایی پرداخت برای فولادهای سخت ایده آل است (جدول 5). پارچه پولیش دارای سطحی نرم و بلند است که تمام سطح تماس نمونه از جمله لبه‌ها را می‌پوشاند و باعث می‌شود سطحی براق شود.

مراحل نمونه برداری و آماده سازی

همانطور که قبلا گفته شد، یک سطح برش تمیز و صاف با انتخاب چرخ مناسب به دست می‌آید. برای مواد آهنی مورد بحث در بالا، سه چرخ ساینده برای به دست آوردن بهترین سطح برش مورد بررسی قرار گرفت.

پس از برش دادن قطعات معرف، یک کاغذ SiC درشت متوسط، مانند گریت 280 [P320]، برای حذف لبه‌های تیز و سوراخ‌هایی که ممکن است در نتیجه برش‌کاری باشد استفاده می‌شود.

نمونه‌های نصب نشده را می‌توان مستقیماً در نگهدارنده نمونه قرار داد و ثابت کرد. هنگامی که نمونه‌ها نیاز به نصب دارند، از یک ترکیب فشرده سازی مانند EpoMet استفاده می شود، زیرا ترکیب نصب به دلیل حفظ لبه بهتر آن ایده آل است. قبل از نصب، قطعات با اتانول چربی زدایی می‌شوند تا از تماس خوب بین سطوح نمونه و ترکیب نصب اطمینان حاصل شود و از شکاف یا ترک بین نمونه و رزین جلوگیری شود. بهتر است ترکیبی برای نصب با سرعت حذف مشابه نمونه انتخاب شود. پس از نصب، نمونه های نمونه در یک نگهدارنده نمونه نیروی مرکزی همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، بسته می‌شوند.

نمونه ها در یک نگهدارنده نمونه نیروی مرکزی گیره و تراز می‌شوند.

شکل ۳. نمونه‌ها در یک نگهدارنده نمونه نیروی مرکزی گیره و تراز می‌شوند.

روش های تحلیل تصویر

تضاد ریز ساختار

روش های معمول آماده سازی نمونه شامل چندین مرحله است.

 یک مرحله پرداخت است، با ذرات ساینده ریز پراکنده در ناحیه زیر میکرون. پس از مرحله پولیش، سطح مواد فلزی اغلب براق و آینه مانند است. بررسی اولیه شامل تجزیه و تحلیل سطح نمونه در حالت صیقلی در میدان روشن، برای شکاف، منافذ، آخال‌ها و غیره است. جزئیات ریزساختار معمولاً در حالت صیقلی بررسی نمی‌شوند. برای بررسی بیشتر، اچ متالوگرافی برای آشکار کردن مرزهای دانه، نواربندی یا جداسازی، اجزای تشکیل دهنده آلیاژ و تغییر شکل آلیاژ انجام می‌شود.

اچینگ به دو دسته تقسیم می‌شود: اچ الکتروشیمیایی یا فیزیکی که سطح نمونه را تغییر می‌دهد. و اچینگ‌هایی که روی سطح نمونه تاثیری ندارند. پتزو راهنمای معروفی برای اچ متالوگرافی منتشر کرد که منبع خوبی برای مرجع است. اچ “اپتیکال” را می‌توان برای برخی از مواد با تنظیم پرتو نور منعکس شده و روشنایی استفاده کرد. دستکاری نوری روش‌های مختلف روشنایی را ارائه می‌دهد که بر کنتراست و سطح جزئیات به دست آمده از سطح تأثیر می‌گذارد.

این تکنیک ها عبارتند از:

میکروسکوپ میدان تاریک: برای تشخیص نور بازتاب شده سطوح ناهموار (مثلاً ترک‌ها، فازهای نیمه مات) مفید است.
میکروسکوپ کنتراست فاز: عمدتاً برای میکروسکوپ نور عبوری استفاده می‌شود (مثلاً تعیین تفاوت انکسار و چگالی).
میکروسکوپ کنتراست تداخل دیفرانسیل (DIC): تصویر را می توان به صورت پلاستیکی ترسیم کرد (مثلاً اختلاف ارتفاع دقیقه).
میکروسکوپ نور پلاریزه: برای تعیین فازهای ناهمسانگرد استفاده می‌شود.
هنگامی که سطح نمونه تحت عمل شیمیایی قرار نمی‌گیرد، بررسی کمی ریزساختار مواد آهنی – کسرهای سطح فازهای مختلف و تعیین اندازه دانه – را می‌توان با استفاده از اچ شیمیایی روی سطح با اچ های مختلف متوجه شد.

اچ کردن فیزیکی یکی دیگر از روش‌های ممکن است. کندوپاش کاتدی یا واکنشی دو نوع اچ فیزیکی هستند و می‌توانند برای نمونه‌های بازتابنده ضعیف، به عنوان مثال برخی از انواع سرامیک ها مفید باشند. برای اچینگ مناسب در این روش‌ها، محفظه‌های مخصوص و خلاء تعریف شده ضروری است. اچ حرارتی نوع دیگری از اچ فیزیکی است و اغلب برای تیتانیوم یا سرامیک استفاده می‌شود. در این مورد، فرآیندهای انتشار برای تحقق یک حالت تعادل بین انرژی رابط و سطح فعال می‌شوند تا ریزساختار قابل مشاهده باشد.

در این کار از روش‌های اچ الکتروشیمیایی برای تحلیل ریزساختار استفاده می‌شود.

آهن تنوع زیادی از آلیاژها را نشان می‌دهد. هر آلیاژ آهنی دارای خواص و ویژگی های متمایز است. در محیط‌های تولید و در تحقیق و توسعه، کیفیت و تجزیه و تحلیل ریزساختاری باید در دسترس باشد، به عنوان مثال جزئیات ریزساختاری متضاد می‌تواند مورد توجه قرار گیرد. به همین دلیل، اچ‌کننده‌ها برای اطمینان از کنتراست ریزساختار و رنگ‌آمیزی جهت‌های مختلف دانه‌های کریستالوگرافی در دسترس هستند. جدول ۷ فهرستی از اچانت‌های مورد استفاده برای انتخاب مواد را ارائه می‌دهد.

جدول ۷. اچ‌های متداول برای مواد آهنی.

مواد اچانت کاربرد
فولادهای کم آلیاژ، چدن، جوش، مناطق انتشار نیتال (۱-۱۰٪ اسید نیتریک، اتانول) از ثانیه تا دقیقه، بیشتر از اچ مرطوب استفاده می‌شود
فولادهای با آلیاژ بالا، ریخته گری آستنیتی، فریت اچانت V2A (15-20٪ اسید کلریدریک، 1-5٪ اسید نیتریک) از چند ثانیه تا چند دقیقه، می‌توان حداکثر تا 70 درجه سانتیگراد گرم کرد، حکاکی مرطوب
فولاد ضد زنگ، فولادهای آستنیتی CrNi Beraha II (32٪ اسید کلریدریک، بیفلورید آمونیوم، متابی سولفیت پتاسیم) رنگ آمیزی، حکاکی مرطوب سیمانیت، دیفیوژن زون ها Klemm I (تیوسولفات سدیم، متابی سولفیت پتاسیم) 1-2 دقیقه، اچ مرطوب، رنگ آمیزی میکروگراف‌های نشان داده شده در شکل های ۴-۱۸، نتایج به کارگیری روش مدرن آماده سازی نمونه را بر روی مواد مختلف آهنی نشان می‌دهد.

منابع : دانشنامه آهن البرز

فولاد مبارکه

parsaahmadi