Metody analizy metalograficznej i usprawnienie obserwacji i pomiarów
W branży motoryzacyjnej każda firma musi ostatnio stawiać czoła coraz ostrzejszej konkurencji dotyczącej stosowania materiałów w celu zmniejszenia masy i jednoczesnego zwiększenia sztywności. Ze względu na stosowanie materiałów o wyższej wydajności, firmy te wymagają obecnie dokładności, wygody i szybkości obserwacji i pomiarów struktur metalicznych, operacji, które są niezbędne do wyboru i stosowania optymalnych materiałów metalicznych.
W tej części przedstawiono podstawową wiedzę i problemy analizy metalograficznej, a także najnowsze przykłady zastosowań mikroskopu cyfrowego 4K firmy KEYENCE.
- Materiały metaliczne i konieczność analizy metalograficznej
- Struktury metali i zmiany pod wpływem temperatury
- Metody analizy metalograficznej z wykorzystaniem mikroskopów
- Najnowsze przykłady analizy metalograficznej
- Analiza metalograficzna z wykorzystaniem obrazów w ultrawysokiej rozdzielczości 4K
- Uzyskanie obserwacji z wysokim poziomem szczegółowości i kontrastu dzięki funkcji 4K HDR
- Rejestrowanie obrazów o dużej powierzchni dzięki szybkiemu zszywaniu obrazów
- Pomiary struktur metalowych jednym kliknięciem
- Obserwacja sferoidyzacji grafitu i pomiar współczynnika powierzchni
- Analiza metalograficzna wymagana przez liderów branży
Materiały metaliczne i konieczność analizy metalograficznej
Materiały metaliczne są stosowane w wielu dziedzinach, od przemysłu motoryzacyjnego i lotniczego po infrastrukturę, urządzenia elektryczne i urządzenia elektroniczne. W zależności od zastosowania dobierane i stosowane są różne metale i stopy. Jednak nawet w przypadku dokładnie takich samych składników metalicznych i stopowych, właściwości mechaniczne, takie jak trwałość i obrabialność, różnią się w zależności od struktury metalu. Analiza metalograficzna pozwala na ocenę i osąd właściwości materiałów metalicznych oraz ich zmian w wyniku obróbki, cieplnej i innych czynników, umożliwiając tym samym wybór i zastosowanie odpowiednich materiałów.
W przemyśle motoryzacyjnym i innych dziedzinach, w których pęknięcia materiałów metalicznych mogą mieć wpływ na bezpieczeństwo produktów i życie ludzkie, obserwacja struktury metalu jest szczególnie ważna dla oceny i osądu właściwości mechanicznych, oceny po obróbce powierzchniowej i cieplnej oraz analizy wad, takich jak wtrącenia niemetaliczne, pęknięcia i pęcherze.
Właściwości mechaniczne materiałów metalicznych
Właściwości mechaniczne materiałów metalicznych dotyczą właściwości dynamicznych, takich jak wytrzymałość, sztywność, ciągliwość, charakterystyka zmęczeniowa i odporność na zużycie. Właściwości mechaniczne materiałów metalicznych zmieniają się wraz ze zmianą struktury metalu w wyniku obróbki cieplnej, nawet jeśli materiały i komponenty występują w tym samym stosunku (struktura jest taka sama). Właściwości te, jak również trwałość materiałów, są ściśle związane z wydajnością obróbki mechanicznej, takiej jak cięcie i obróbka plastyczna, oraz charakterystycznymi zmianami w obróbce cieplnej.
Struktury metali i zmiany pod wpływem temperatury
Ogólnie rzecz biorąc, struktury metaliczne składają się ze struktur krystalicznych, w których atomy są ułożone regularnie, ale nie wszystkie atomy są zawsze ustawione regularnie. Struktury krystaliczne, w których wiele ziaren ułożonych jest regularnie, nazywane są strukturami polikrystalicznymi, a granice między ziarnami w obszarze, w którym atomy ułożone są nieregularnie, nazywane są granicami ziaren.
- Po lewej: Metal polikrystaliczny złożony z wielu ziaren
- Po prawej: Granice ziaren pomiędzy ziarnami
W strukturach krystalicznych tych struktur metalowych zmieniają się wzory granic ziaren w wyniku obróbki cieplnej i innych zastosowań temperatury. W wyniku obróbki cieplnej nawet w przypadku tych samych materiałów metalicznych zachodzą różne zmiany, dlatego właściwości mechaniczne po obróbce cieplnej można rozpoznać, obserwując zmiany w kształcie, wielkości i rozmieszczeniu ziaren struktury metalu.
Poniżej przedstawiono przykładowe zmiany struktury stali nierdzewnej (materiał SUS) w wyniku obróbki cieplnej.
- Austenit (SUS304)
- Chociaż struktura ta nie istnieje w temperaturze pokojowej, struktura dla stopów Fe i C staje się stabilna w temperaturze 723°C lub powyżej. Stabilną strukturę uzyskuje się również poprzez dodanie pierwiastków stopowych (Ni i Mn), które poprawiają hartowność. Struktura austenitu, która pozostaje niezmieniona w stali po hartowaniu, nazywana jest austenitem szczątkowym.
- Martenzyt (SUS410)
- Twarda, ale krucha struktura, która powstaje w wyniku gwałtownego schłodzenia struktury austenitu. Wyżarzanie martenzytu w temperaturze od 100 do 200°C powoduje osadzanie się Fe3C, dzięki czemu struktura ta jest nieco twardsza, ale łatwiej ulega korozji. Martenzyt w tym stanie nazywany jest martenzytem wyżarzonym dla odróżnienia od martenzytu hartowanego.
- Ferryt (SUS430)
- Struktura, która jest podobna do czystego żelaza i zawiera do 0,02% C w Fe. Jest ferromagnetykiem od temperatury pokojowej do 780°C i jest ciągliwy i najbardziej miękki z żelaznych i stalowych struktur.
Struktura uzyskana w wyniku powolnego chłodzenia stali w stanie austenitu nazywana jest perlitem. Odstępy między warstwami różnią się w zależności od szybkości chłodzenia. Nazwa perlitu pochodzi od bardzo cienkich, naprzemiennych warstw ferrytu i Fe3C, które nadają mu perłową barwę.
Metody analizy metalograficznej z wykorzystaniem mikroskopów
Poniżej opisany jest proces analizy metalograficznej od wytworzenia próbki do jej obserwacji przy użyciu zwykłego mikroskopu.
1. Inkludowanie (wypełnienie żywicą)
Wyciętą próbkę należy utwardzić żywicą. Istnieją różne rodzaje żywic utwardzających. Jednym z powszechnie stosowanych typów jest jednoskładnikowa żywica utwardzana światłem widzialnym, która jest wysoce przezroczysta i szybko się utwardza. Próbkę należy umieścić w cylindrycznym pojemniku i powoli wlać żywicę utwardzającą. Na tym etapie należy uważać, aby nie dopuścić do powstania pęcherzyków powietrza.
2. Polerowanie
Wypolerować próbkę, zgrubnie wodoodpornym papierem ściernym i precyzyjnie przy użyciu maszyny do polerowania powierzchni. W metodzie polerowania na mokro należy stosować papiery SiC od 80 do 2400 (od najbardziej gruboziarnistych do najbardziej drobnoziarnistych). W przypadku polerowania precyzyjnego, próbkę należy polerować do uzyskania lustrzanej powierzchni przy użyciu syntetycznego jedwabiu spryskanego ziarnami diamentowymi o wielkości od 9 do 0,25 mikrometra, środkiem ściernym, lubrykantem i zawiesiną alkaliczną, a następnie przemyć powierzchnię bieżącą wodą.
3. Wytrawianie (korozja)
Namoczyć wypolerowaną powierzchnię próbki w odpowiednim roztworze trawiącym (ciecz korozyjna). Zmyć ciecz korozyjną wodą, namoczyć próbkę w alkoholu etylowym lub podobnym, a następnie wysuszyć.
4. Obserwacja mikroskopowa struktury
Po zakończeniu powyższego procesu tworzenia próbki należy obejrzeć pod mikroskopem jej wypolerowaną powierzchnię. Powiększyć strukturę i odpowiednio ustawić ostrość, aby zaobserwować zmiany struktury spowodowane działaniem ciepła. Jednakże zaawansowane pomiary, takie jak wtrącenia niemetaliczne, sferoidyzacja grafitu oraz stosunek powierzchni ferrytu do perlitu muszą być wykonywane po migracji do dedykowanego oprogramowania.
Najnowsze przykłady analizy metalograficznej
Mikroskopy cyfrowe KEYENCE umożliwiają zastosowanie najnowszych rozwiązań.
Mikroskop cyfrowy KEYENCE serii VHX o ultrawysokiej rozdzielczości 4K umożliwia radykalną poprawę wydajności różnych zadań, dodatkowo oferując zaawansowaną obserwację i ocenę struktur metalicznych przy użyciu obrazów o wysokiej rozdzielczości.
Analiza metalograficzna z wykorzystaniem obrazów w ultrawysokiej rozdzielczości 4K
Powszechnym problemem jest konieczność poświęcenia dużej ilości czasu na stworzenie próbek. Ponadto, jeśli powierzchnia obserwacyjna na inkludowanej (wypełnionej żywicą) próbce nie jest płaska, nawet najmniejsza różnica wysokości spowoduje utratę ostrości obrazu podczas obserwacji w dużym powiększeniu, dlatego obserwacja ta wymaga delikatnej regulacji.
Interfejs kompozycji w czasie rzeczywistym mikroskopu cyfrowego 4K serii VHX umożliwia szybkie uzyskanie kompozycji głębi dzięki łatwej obsłudze bez konieczności regulacji ostrości. Umożliwia to uzyskanie ostrego obrazu całej metalowej struktury, nawet jeśli inkludowana (wypełniona żywicą) powierzchnia obserwacyjna nie jest płaska, dzięki czemu można łatwo prowadzić obserwacje wyraźnej struktury przy użyciu obrazów o ultrawysokiej rozdzielczości 4K.
Uzyskanie obserwacji z wysokim poziomem szczegółowości i kontrastu dzięki funkcji 4K HDR
Mikroskop cyfrowy 4K serii VHX jest wyposażony w funkcję HDR (High Dynamic Range), która rejestruje wiele obrazów o wysokiej gradacji kolorów przy różnych czasach otwarcia migawki. Umożliwia to obserwację szczegółowych struktur na obrazach o wysokim poziomie szczegółowości i kontrastu.
Rejestrowanie obrazów o dużej powierzchni dzięki szybkiemu zszywaniu obrazów
Dzięki funkcji łączenia obrazów w serii VHX, wystarczy nacisnąć przycisk łączenia obrazów, aby szybko połączyć dane obrazu z różnych pól widzenia, bez zniekształceń, w celu uzyskania obrazu o rozmiarze do 50 000 × 50 000 pikseli. Przy niezmienionym powiększeniu i rozdzielczości obraz ten może być wykorzystany jako widok z lotu ptaka, umożliwiający efektywną obserwację.
Pomiary struktur metalowych jednym kliknięciem
Mikroskop cyfrowego 4K serii VHX jest wyposażony w funkcję automatycznego pomiaru obszaru. Za pomocą prostej obsługi myszą to pojedyncze urządzenie szybko wykonuje cały szereg czynności roboczych: od obserwacji struktur metalowych w powiększeniu, poprzez ilościową ocenę współczynników powierzchni poprzez pomiar automatyczny, aż do sporządzenia raportu.
Obserwacja sferoidyzacji grafitu i pomiar współczynnika powierzchni
Mikroskop cyfrowego 4K serii VHX jest wyposażony w funkcję automatycznego pomiaru obszaru/zliczania. Dzięki prostej obsłudze, funkcja ta może mierzyć i liczyć współczynnik obszaru w określonym zakresie. Cele, które nie są wymagane, mogą zostać wykluczone, a nakładające się cele mogą zostać rozdzielone. Pozwala to na przeglądanie zaawansowanych wartości pomiarowych w tabeli lub na wykresie w tym samym czasie, gdy prowadzone są obserwacje za pomocą mikroskopu.
Analiza metalograficzna wymagana przez liderów branży
Producenci samochodów są prekursorami, a każda z firm ciężko pracuje nad utrzymaniem pozycji lidera w dziedzinie nowych materiałów i technologii przetwarzania, aby zwiększyć oszczędność paliwa poprzez redukcję masy i poprawę sztywności.
Używając mikroskopu cyfrowego serii VHX o wysokiej rozdzielczości 4K do analizy metalurgicznej, można przeprowadzać obserwacje i pomiary w wysokiej rozdzielczości.
Seria VHX, wyposażona w wiele innych zaawansowanych funkcji, może być potężnym narzędziem dla przemysłu, który wymaga zarówno szybkości, jak i precyzji w doborze materiałów.
Aby uzyskać szczegółowe informacje na temat serii VHX, kliknij przycisk poniżej i pobierz katalog. W przypadku zapytań, kliknij poniżej przycisk umożliwiający kontakt z firmą KEYENCE.
