VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚFAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ
Ústav materiálového inženýrství Fr. PíškaOdbor nauky o materiálu
Doc. Ing. Tomáš Podrábský, CSc.
POUŽITÍ LABORATORNÍCH METOD PŘI ŘEŠENÍ VÝROBNÍCH PROBLÉMŮ
BRNO 3. 2. 2006
Metalografie (materialografie) je nauka o struktuře kovových a nekovových materiálů. Základní strukturní jednotkou v metalografii je fáze v tuhém stavu (tuhý roztok, intermediární fáze). Druh, množství, rozměry, tvar, způsob uspořádání fází (morfologie) a jejich některé topologické znaky patrné jako projev vnitřní stavby nebo chemické nehomogenity určují základní typ struktury a její specifické znaky.
Při komplexním popisu struktury je třeba všechny fáze, i ty, které leží pod rozlišovací schopností světelného mikroskopu, identifikovat, krystalograficky definovat, stanovit jejich chemické složení a objemový podíl a objasnit příčiny rozdílné leptatelnosti atd. K tomu účelu slouží všechny moderní laboratorní techniky:
a) světelná mikroskopie (SM) b) konvenční (TEM) i řádkovací (ŘEM) elektronová mikroskopie c) rentgenová a elektronová difrakční fázová analýza d) elektronová chemická mikroanalýza (EDS, WDS) e) kvantitativní metalografie (SM, EM) f) spektrální analýza chemického složení
Pro využití moderních laboratorních metod je zapotřebí dokonalá příprava preparátů.
Světelná mikroskopie
Světelná mikroskopie (SM) i přes omezení, které plynou zejména z její rozlišovací schopnosti (min. 0,3μm) a malé hloubky ostrosti (při max. zvětšení cca 0,1um), je metodou stále nejpoužívanější. V řadě případů poskytuje tato metoda rychlé a spolehlivé informace o strukturních fázích, jejich morfologii, resp.mikrotvrdosti. Pro využití rozlišovací schopnosti světelného mikroskopu zejména zvýšením kontrastu obrazu (barevný kontrast), se používají přídavné adaptéry, nebo leptací techniky. Optické metody zviditelňování struktury použitelné jak v neleptaném stavu, tak i po naleptání jsou :
a) světlé a tmavé pole
b) barevný kontrast - polarizované světlo
- fázový kontrast
- interferenční kontrast
- použití filtrů
- úprava povrchu (napařené vrstvy, barevné leptání)
Spektrum elektromagnetických vln
Podstata vzniku barevného kontrastu Využitelný barevný kontrast mezi jednotlivými mikrolokalitami může mít následující fyzikální podstatu:
- Je daný přirozenou chromatičností některých fází
- Vzniká v důsledku odlišných optických vlastností fází v polarizovaném světle
- Vzniká interferencí fázově posunutých vln v důsledku odrazu od nerovností
povrchu, v důsledku různé odrazivosti fází a vícenásobné reflexe v transparentní povrchové vrstvě anebo proměnlivé výšky transparentního povrchového filmu
Přirozená barevnost fází
V některých případech je možné odlišit strukturní části podle jejich charakteristické barvy. Jsou to např. karbonitridy titanu, pro které je charakteristické oranžové zabarvení. Dalším příkladem může být slitina železa a křemíku (45%), hořčíku (9%), vápníku (1%) a KVZ (1%), používaná jako modifikátor při výrobě litiny s kuličkovým grafitem. Na neleptaném výbruse je dobře barevně odlišitelné eutektikum Mg2Si+Si od ostatních strukturních složek.
Austenitická Cr-Ni ocel stabilizovaná titanem, lept. Vilella-Bain, zv. 100x Slitina Fe-Si-Mg-Ca-KVZ (modifikátor pro výrobu
litiny s kuličkovým grafitem), leštěné, zv. 100x
Polarizované světlo
Slitina Fe-Si-Mg-Ca-KVZ (modifikátor pro výrobu litiny s kuličkovým grafitem), leštěné, zv. 100x
Podeutektoidní ocel (0,6% C), lept. Nital, polarizované světlo, zv. 250x
Diferenciální interferenční kontrast Pro kvalitativní i kvantitativní hodnocení povrchového reliéfu jsou velmi vhodné interferenční mikroskopické metody, založené na lámání světelného paprsku na dva anebo více paprsků, které po proběhnutí rozdílných optických drah se znovu spojují a vzájemně interferují. Při interferenci vzniká i barevný kontrast. Do této skupiny metod zvyšování kontrastu optickou cestou patří Nomarského metoda diferenciálního interferenčního kontrastu – např. barevné odlišení plastické zóny v okolí šířící se únavové trhliny.
Plastická zóna v okolí čela únavové trhliny (bainitická litina s kuličkovým grafitem – ADI), leštěno, Nomarski, zv. 50x
Nízkouhlíková ocel (0,08 % C) s 0,15 % TiMikrostruktura, leštěno, napařená vrstva ZnSe, zv. 1600x
Mikroanalýza Ti, N, C v částici Ti(CN)
Napařené interferenční vrstvy
Barevné leptání Reakcí povrchu metalografického výbrusu a barevného leptadla vzniká transparentní film, který má funkci interferenčního povlaku. Když je pozorovaný vzorek pokrytý transparentním filmem, vzniká interference světla v důsledku rozdělení odraženého světla na složky odražené na rozhraní vzduch – vrstva a na rozhraní kov – vrstva.
Schéma interference paprsků odražených od vzorku s povlakem Podstata barevného leptání
Barevné leptání
Litina s kuličkovým grafitem, lept. Klemm I, zv. 50x
Rychlořezná ocel, lept. LB I, zv. 500x
Barevné leptání
Cementovaná CrMn - ocel, lept. Beraha I, zv. 250x
Karbidická síť na povrchu nauhličené CrMn – oceli, lept. Beraha I, zv. 100x
Barevné leptání
Karbonitridovaná vysokolegovaná Cr-ocel (13 %), lept. Beraha I, zv. 100x
Austenitický návar na austenitické oceli, lept. Beraha II, zv. 400x
Barevné leptání
Izotermicky zušlechtěná litina s kuličkovým grafitem (horní bainit), lept. Beraha-Martenzit, zv. 250x
Izotermicky zušlechtěná litina s kuličkovým grafitem (dolní bainit), lept. Beraha-Martenzit, zv. 250x
Další možnosti světelné mikroskopie
Uvedené metody zvýšení kontrastu obrazu je možno bez velkých úprav aplikovat u většiny moderních metalografických světelných mikroskopů.
Pro pozorování lomových ploch, resp. vad v hutních polotovarech a v odlitcích při zvětšení v rozsahu 1 až 100x se s výhodou používají stereomikroskopy s velkou hloubkou ostrosti.
Pozorování velikosti zrna na stereomikroskopu
Poloautomatické měření mikrotvrdosti využívá SM řízený počítačem s automatickým naprogramovaným pohybem stolku i s vnikáním indentoru do vzorku. V poslední době se SM využívá díky rozvoji výpočetní techniky, videotechniky a příslušného software pro automatizovanou kvantitativní obrazovou analýzu.
Další možnosti světelné mikroskopie
Záznam z měření mikrotvrdosti
Plocha vzorku po měření mikrotvrdosti
Elektronová mikroskopie
Ze dvou základních metod elektronové mikroskopie, transmisní (TEM) a řádkovací (ŘEM) se při řešení problémů metalurgické praxe výrazněji uplatňuje především mladší, jednodušší (a cenově méně náročná) technika ŘEM, čímž ovšem nechceme v žádném případě oslabit význam TEM. Aplikace TEM je však přece jen vázána spíše na výzkum a vývoj a řešení některých specifických provozních problémů. Díky vývoji malých, rutinních ŘEM, nenáročných na obsluhu a relativně přístupných i cenově, se ŘEM výrazně prosadila i do podnikových laboratoří. Nepochybně na tom měla zásluhu vysoká rozlišovací schopnost ŘEM (běžně 4-7 nm) a zejména velká hloubka ostrosti (cca 3000x lepší než u SM při zvětšeních 100-500x), díky které lze detailně studovat nejen klasické metalografické výbrusy, ale také např. i lomové plochy, komponenty formovacích směsí, povrch forem atd. Také velký rozměr komory pro vzorek, rychlý přechod od makroskopického pohledu na strukturu (od zvětšení 10x příp. i méně) na nejjemnější detaily (při zvětšení obvykle do 100tis. násobného) a malé nároky na přípravu vzorků jsou velmi přitažlivé.
Elektronová mikroskopie
TEM – replika, bainit
Elektronová mikroskopie
TEM – fólie, dolní bainit + Az, Si ocel, zv. 44 000x
TEM – fólie, hranice zrna
Elektronová mikroskopie
TEM – fólie, martenzit + zbytkový austenit
Fázová analýza
Získat informaci o typu fází přítomných ve struktuře lze v podstatě dvojím způsobem – elektronovou nebo rtg. difrakcí. Z důvodů dříve zmíněných nebude diskutována elektronová difrakce v TEM, která má specifický význam zejména při studiu minoritních submikronových fází. Na rozdíl od lokální analýzy využívá rtg. strukturní analýza informace obsažené v rozptýlených, nikoliv vybuzených fotonech. Jako takovou ji lze rozdělit zhruba do dvou částí – chemické analýzy, kvalitativní a kvantitativní fázové analýzy a popis reálné krystalové struktury přítomných fází. Přes problémy, které jsou spojeny s identifikací látek ve směsích, je ve fyzikální metalurgii kvalitativní fázová analýza mocným nástrojem. Kvantitativní fázová analýza je na tom poněkud hůře, nicméně i ona prochází v současné době bouřlivým vývojem. Problém je v tom, že kvantita se odvozuje z difraktovaných intenzit a ty jsou kromě fázového složení ovlivňovány rovněž reálnou strukturou fází (velikostí zrna, texturou). V současnosti jsou intenzivně hledány takové postupy, které by realizací více měření na různě připravených vzorcích dokázaly tyto nežádoucí vlivy eliminovat. To je samozřejmě spjato s vysokou produktivitou měření, ale ta není na současných komerčně dodávaných automatických difraktometrech problém.
Rafting. Kolodium-uhlíková replika.
Zhrublé precipitáty ‘. Folie.
Difraktogram
Děkuji
za
pozornost
