คู่มือขั้นตอนและอุปกรณ์ในการวิเคราะห์ทางโลหะวิทยา

การวิเคราะห์ทางโลหะวิทยาคืออะไร และเหตุใดจึงมีความสำคัญ

การวิเคราะห์ทางโลหะวิทยาเป็นกระบวนการที่เป็นระบบที่ใช้ในการตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคภายในของโลหะและโลหะผสม ข้อสรุปหลักนั้นตรงไปตรงมา: การเตรียมตัวอย่างที่เหมาะสมและการใช้อุปกรณ์โลหะวิทยาอย่างถูกต้องจะกำหนดความถูกต้องแม่นยำและความน่าเชื่อถือของผลลัพธ์ของคุณได้โดยตรง ไม่ว่าคุณจะตรวจสอบขนาดเกรน ตรวจจับการกระจายเฟส หรือระบุข้อบกพร่อง เช่น รอยแตกร้าวและความพรุน แต่ละขั้นตอนจะต้องดำเนินการอย่างแม่นยำเพื่อให้ได้ข้อมูลที่มีความหมาย

เทคนิคนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการควบคุมคุณภาพ การวิเคราะห์ความล้มเหลว การวิจัยและพัฒนา และการตรวจสอบกระบวนการผลิต อุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การบินและอวกาศ ยานยนต์ และวิศวกรรมวัสดุต้องอาศัยการวิเคราะห์ทางโลหะวิทยาเพื่อให้มั่นใจถึงความสมบูรณ์ของโครงสร้างและการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ

ทำตามขั้นตอนทั้งหมดสำหรับการวิเคราะห์ทางโลหะวิทยา

กระบวนการเป็นไปตามลำดับที่กำหนดไว้ การข้ามหรือเร่งขั้นตอนใดๆ จะทำให้ภาพโครงสร้างจุลภาคขั้นสุดท้ายเสียหาย ด้านล่างนี้คือขั้นตอนมาตรฐานที่ดำเนินการในขั้นตอนการทำงานด้านโลหะวิทยาระดับมืออาชีพ

ขั้นตอนที่ 1 — การเลือกตัวอย่างและการแบ่งส่วน

เลือกพื้นที่ตัวแทนจากวัสดุที่อยู่ระหว่างการตรวจสอบ ใช้ เครื่องตัดกระดาษทรายที่มีความแม่นยำหรือเครื่องเลื่อยลวดเพชร เพื่อแบ่งกลุ่มตัวอย่าง ต้องควบคุมความเร็วตัดและการไหลของน้ำหล่อเย็นเพื่อป้องกันความเสียหายจากความร้อนหรือการเสียรูปของชั้นผิว ความหนาของส่วนทั่วไปคือ 5 มม. ถึง 15 มม ขึ้นอยู่กับความแข็งของวัสดุและข้อกำหนดในการติดตั้งดาวน์สตรีม

ขั้นตอนที่ 2 — การติดตั้ง

ตัวอย่างขนาดเล็กหรือมีรูปร่างไม่สม่ำเสมอจะถูกติดไว้ในเรซินเพื่อให้หยิบจับได้ง่ายขึ้น มีการใช้วิธีทั่วไปสองวิธี:

การติดตั้งการบีบอัดแบบร้อน: ใช้เทอร์โมเซตติงหรือเทอร์โมพลาสติกเรซินภายใต้ความร้อน (ประมาณ 150°C) และความดัน โดยทั่วไปรอบเวลาจะอยู่ที่ 8–12 นาที
ติดตั้งเย็น: ใช้อีพอกซีหรืออะคริลิกเรซินที่แข็งตัวที่อุณหภูมิห้อง เหมาะสำหรับวัสดุที่ไวต่อความร้อน เวลาในการบ่มมีตั้งแต่ 15 นาทีถึงหลายชั่วโมง

การติดตั้งที่เหมาะสมทำให้พื้นผิวเรียบและมั่นคงและรักษาขอบในระหว่างการเจียรและขัดเงาในภายหลัง

ขั้นตอนที่ 3 — การบด

การเจียรจะขจัดความเสียหายที่พื้นผิวที่เกิดขึ้นระหว่างการตัด ตัวอย่างจะถูกกราวด์โดยใช้ชุดกระดาษทรายที่มีขนาดเม็ดละเอียดมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งโดยทั่วไปจะเริ่มต้นที่ 120 หรือ 180 กรวด และก้าวไปสู่ 600, 800 หรือ 1200 กรวด . แต่ละขั้นตอนจะลบรอยขีดข่วนออกจากขั้นตอนก่อนหน้า มีการใช้น้ำหรือสารหล่อลื่นทั่วทั้งตัวเพื่อลดการสะสมความร้อนและการปนเปื้อน

ขั้นตอนที่ 4 — การขัด

หลังจากการบด ตัวอย่างจะถูกขัดบนล้อหมุนโดยใช้สารแขวนลอยเพชรหรือสารละลายอลูมินา ก ขั้นตอนการขัดขั้นสุดท้ายด้วยซิลิกาคอลลอยด์ 0.05 µm เป็นเรื่องปกติเพื่อให้ได้พื้นผิวที่เหมือนกระจกโดยมีการเสียรูปตกค้างน้อยที่สุด พื้นผิวจะต้องปราศจากรอยขีดข่วนก่อนที่จะกัดเพื่อให้แน่ใจว่าเห็นภาพโครงสร้างจุลภาคได้อย่างแม่นยำ

ขั้นตอนที่ 5 — การแกะสลัก

การกัดด้วยสารเคมีหรือด้วยไฟฟ้าจะโจมตีขอบเขต ระยะ และลักษณะทางโครงสร้างของเกรนแบบเลือกสรร เพื่อสร้างความแตกต่างภายใต้กล้องจุลทรรศน์ ทางเลือกของการแกะสลักขึ้นอยู่กับวัสดุ:

วัสดุ	Etchant ทั่วไป	เวลาแกะสลักโดยทั่วไป
เหล็กกล้าคาร์บอน / เหล็กกล้าโลหะผสมต่ำ	Nital (2–5% HNO₃ ในเอทานอล)	5–30 วินาที
สแตนเลส	อควา ริเกีย / กลีเซอรีเจีย	10–60 วินาที
อลูมิเนียมอัลลอยด์	รีเอเจนต์ของเคลเลอร์	10–20 วินาที
ทองแดงและทองเหลือง	สารละลายแอมโมเนียมเพอร์ซัลเฟต	15–30 วินาที

การแกะสลักมากเกินไปจะบดบังรายละเอียดโครงสร้างจุลภาคที่ดี ในขณะที่การแกะสลักข้างใต้จะสร้างคอนทราสต์ไม่เพียงพอ ต้องควบคุมเวลาและสมาธิอย่างระมัดระวัง

ขั้นตอนที่ 6 — การตรวจด้วยกล้องจุลทรรศน์และการวิเคราะห์ภาพ

ตัวอย่างที่สลักไว้จะถูกตรวจสอบภายใต้กล้องจุลทรรศน์โลหะวิทยาซึ่งมีกำลังขยายตั้งแต่ 50× ถึง 1,000× . วัตถุประสงค์จะถูกเลือกตามคุณลักษณะที่สนใจ — กำลังขยายต่ำสำหรับภาพรวมโครงสร้างโดยรวม กำลังขยายสูงสำหรับการตกตะกอนที่ละเอียดหรือส่วนปลายของรอยแตกร้าว กล้องดิจิตอลจับภาพเพื่อจัดทำเอกสาร ซอฟต์แวร์วิเคราะห์ภาพสามารถวัดปริมาณขนาดเกรนตาม ASTM E112 วัดเศษส่วนของเฟส หรือประเมินการจัดอันดับการรวม

ภาพรวมอุปกรณ์ทางโลหะวิทยาที่จำเป็น

ผลลัพธ์ที่เชื่อถือได้ขึ้นอยู่กับการมีสิทธิ์ อุปกรณ์โลหะวิทยา ในแต่ละขั้นตอน ด้านล่างนี้คือบทสรุปของเครื่องมือหลักที่ใช้ตลอดกระบวนการ

เครื่องตัดกระดาษทราย: ให้การแบ่งส่วนที่แม่นยำและมีความเสียหายต่ำ รุ่นที่มีความเร็วหลายระดับและการป้อนอัตโนมัติจะช่วยลดข้อผิดพลาดของผู้ปฏิบัติงาน
กดติดตั้ง: ให้แรงดันและอุณหภูมิสม่ำเสมอสำหรับการติดตั้งที่ร้อน โมเดลที่ตั้งโปรแกรมได้ช่วยให้สามารถทำซ้ำได้
เครื่องเจียรและขัด: ตัวจับยึดชิ้นงานชิ้นเดียวหรือหลายชิ้นช่วยให้มั่นใจได้ถึงการกำจัดวัสดุที่สม่ำเสมอ ระบบกึ่งอัตโนมัติใช้แรงควบคุม โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 10 N และ 30 N ต่อชิ้นงาน .
หน่วยขัดด้วยไฟฟ้า: ใช้สำหรับโลหะที่เกิดปฏิกิริยา เช่น ไทเทเนียมหรือเซอร์โคเนียม ซึ่งการขัดเงาด้วยกลไกทำให้เกิดการเสียรูปมากเกินไป
กล้องจุลทรรศน์โลหการ: กล้องจุลทรรศน์แบบสะท้อนแสง (แสงตกกระทบ) เป็นกล้องจุลทรรศน์มาตรฐาน ข้อมูลจำเพาะที่สำคัญ ได้แก่ รูรับแสงตัวเลข ระยะการทำงาน และความสามารถในการรวมกล้อง
ซอฟต์แวร์วิเคราะห์ภาพ: ช่วยให้สามารถวัดขนาดเกรน เศษส่วนของพื้นที่เฟส และการทำแผนที่ข้อบกพร่องของพื้นผิวได้โดยอัตโนมัติ
เครื่องทดสอบความแข็ง: มักรวมเข้ากับขั้นตอนการทำงานเพื่อเชื่อมโยงโครงสร้างจุลภาคกับคุณสมบัติทางกล วิธี Vickers, Rockwell และ Brinell เป็นวิธีที่พบได้บ่อยที่สุด

ปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อคุณภาพผลลัพธ์ทางโลหะวิทยา

แม้จะมีอุปกรณ์ที่เหมาะสม ตัวแปรหลายตัวก็อาจทำให้คุณภาพของตัวอย่างลดลงได้ การทำความเข้าใจปัจจัยเหล่านี้ช่วยป้องกันข้อผิดพลาดทั่วไป

ชั้นความผิดปกติของพื้นผิว

ทุกขั้นตอนการตัดและบดทำให้เกิดชั้นที่ผิดรูปอยู่ใต้พื้นผิว การขัดเงาที่ไม่เพียงพอจะทำให้บริเวณที่เสียหายนี้ยังคงสภาพเดิม ทำให้เกิดคุณสมบัติทางจุลภาคที่ผิดพลาดภายใต้กล้องจุลทรรศน์ แต่ละขั้นตอนการเจียรควรกำจัดความลึกของความเสียหายอย่างน้อย 1.5 เท่าจากขั้นตอนก่อนหน้า

ตัวอย่างความสะอาด

การปนเปื้อนระหว่างขั้นตอนการขัดเงาเป็นสาเหตุสำคัญของการเกิดรอยขีดข่วนบนพื้นผิวขั้นสุดท้าย จำเป็นต้องทำความสะอาดตัวอย่างอย่างทั่วถึงด้วยเอธานอลและทำให้แห้งด้วยอากาศอัดระหว่างแต่ละขั้นตอน การปนเปื้อนข้ามจากสารประกอบเพชรที่หยาบกว่าไปจนถึงแผ่นขัดที่ละเอียดกว่าจะทำให้เกิดรอยขีดข่วนอีกครั้งซึ่งต้องใช้เวลาในการขัดเพิ่มเติม

ความเข้มข้นและอุณหภูมิของ Etchant

ปฏิกิริยา Etchant เปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ ที่อุณหภูมิห้องสูงกว่า 25°ซ การกัดอาจออกฤทธิ์เร็วกว่าที่คาดไว้ ซึ่งนำไปสู่การกัดมากเกินไป สร้างมาตรฐานให้กับสภาวะการกัดด้วยการทำงานที่อุณหภูมิแวดล้อมสม่ำเสมอ และใช้สารละลายที่เตรียมไว้ใหม่สำหรับการวิเคราะห์ที่สำคัญเสมอ

การสอบเทียบกล้องจุลทรรศน์และการส่องสว่าง

การตั้งค่าการส่องสว่างของ Köhler ไม่ถูกต้องหรือคอนเดนเซอร์ที่ไม่ตรงแนวจะลดคอนทราสต์และความละเอียดของภาพ ปรับเทียบสเตจไมโครมิเตอร์ของกล้องจุลทรรศน์เป็นประจำ โดยเฉพาะหลังจากเปลี่ยนวัตถุประสงค์ เพื่อให้มั่นใจว่าการวัดขนาดที่แม่นยำในการวิเคราะห์ภาพ

การใช้งานการวิเคราะห์ทางโลหะวิทยาตามอุตสาหกรรม

เทคนิคนี้มีจุดประสงค์ที่แตกต่างกันออกไป ขึ้นอยู่กับบริบทของแอปพลิเคชัน:

อุตสาหกรรม	การใช้งานทั่วไป	พารามิเตอร์หลักที่วัดได้
การบินและอวกาศ	การตรวจสอบเกรนของใบพัดกังหัน	ขนาดเกรน ความพรุน ความหนาของชั้นเคลือบ
ยานยนต์	การตรวจสอบคุณภาพรอยเชื่อม	ความกว้างของโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน การตรวจจับรอยแตก
การผลิตเครื่องมือและแม่พิมพ์	การวิเคราะห์การกระจายตัวของคาร์ไบด์	เศษส่วนเฟส ขนาดคาร์ไบด์ และการกระจายตัว
การผลิตสารเติมแต่ง	การตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคของชิ้นส่วนที่พิมพ์	ระดับความพรุน ความสมบูรณ์ของการยึดเกาะของชั้น
การวิเคราะห์ความล้มเหลว	การสอบสวนสาเหตุที่แท้จริง	สัณฐานวิทยาร้าว เนื้อหารวม

คำถามที่พบบ่อย

คำถามที่ 1: การวิเคราะห์ทางโลหะวิทยาโดยสมบูรณ์ใช้เวลานานเท่าใด

สำหรับตัวอย่างมาตรฐานตัวเดียว โดยทั่วไปจะใช้เวลาทั้งกระบวนการตั้งแต่การแยกส่วนไปจนถึงการตรวจด้วยกล้องจุลทรรศน์ 1 ถึง 3 ชั่วโมง ขึ้นอยู่กับความแข็งของวัสดุและระดับการขัดเงาที่ต้องการ

คำถามที่ 2: การวิเคราะห์ทางโลหะวิทยาสามารถดำเนินการกับวัสดุที่ไม่ใช่โลหะได้หรือไม่

ใช่. ขั้นตอนการเตรียมการเดียวกันนี้ใช้กับเซรามิก คอมโพสิต และชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ แม้ว่าจะต้องเลือกสารกัดกร่อนและสารกัดกร่อนสำหรับระบบวัสดุเฉพาะก็ตาม

คำถามที่ 3: ขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในกระบวนการคืออะไร?

ขัด มักถือเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุด รอยขีดข่วนหรือการเสียรูปที่เหลืออยู่ในขั้นตอนนี้จะส่งผลโดยตรงต่อการมองเห็นและความแม่นยำของคุณสมบัติทางจุลภาคในระหว่างการตรวจสอบ

คำถามที่ 4: กำลังขยายเท่าใดในการวัดขนาดเกรน

โดยทั่วไปการวัดขนาดเกรนจะทำที่ กำลังขยาย 100× ปฏิบัติตามแนวทาง ASTM E112 แม้ว่าโครงสร้างเกรนที่ละเอียดกว่าอาจต้องใช้ 200× หรือ 400×

คำถามที่ 5: การขัดอัตโนมัติดีกว่าการขัดด้วยมือหรือไม่?

เพื่อความสามารถในการทำซ้ำและความสม่ำเสมอของตัวอย่างหลายตัวอย่าง แนะนำให้ใช้เครื่องขัดอัตโนมัติ . การขัดด้วยมือขึ้นอยู่กับทักษะของผู้ปฏิบัติงานเป็นอย่างมาก และทำให้เกิดความแปรปรวนในด้านแรงและเวลาที่ใช้

คำถามที่ 6: อะไรทำให้เกิดการแกะสลักที่ไม่สม่ำเสมอบนพื้นผิวตัวอย่าง

การแกะสลักที่ไม่สม่ำเสมอมักเกิดจากการขัดเงาที่ไม่สมบูรณ์ การปนเปื้อนที่ตกค้าง การใช้การกัดกรดที่ไม่สม่ำเสมอ หรือพื้นผิวตัวอย่างที่ไม่เรียบ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าพื้นผิวขัดเงาสะอาดหมดจดและได้ระดับก่อนแกะสลัก