P rzygotow an ie zgładu m etalograficznego

W iodący w św iecie producenci sprzętu oraz m ateriałów do przygotow ania zgładów m etalograficznych opracow ali system y eksperckie, ułatw iające uzyskanie zadow alającej jakości zgładów z dow olnego m ateriału inżynierskiego [4, 14, ^{6 8}]. D o najbardziej znanych system ów eksperckich należą: D ia lo g (firmy Buehler), A u tom atic P olishers (Leco) i M etalog G uide (Struers). W M etalog G uide najlepsze w arunki preparatyki dobrać m ożna na p od­

staw ie specjalnego diagram u nazw anego M etalogram . W diagram ie tym dostępnych je s t siedem różnych m etod przygotow ania zgładów oznaczonych sym bolam i od A do G (rys. 4.13). D odatkow o użytkow nik m a do dyspozycji trzy dodatkow e skrócone, a tym sam ym tańsze m etody (Z , Y, Z), które w w ielu przypadkach d a ją pozytyw ne rezultaty. T ak szerokie spektrum m etod w ynika z przyjętej przez firmę Struers filozofii, w edług której nie zaw sze konieczne je s t ujaw nienie idealnej struktury. C zęsto obecność paru krótkich odpow iednio zorientow anych w zględem ocenianych składników strukturalnych rys o niew ielkiej grubości nie przeszkadza w uzyskaniu popraw nego ilościow ego opisu struktury [W⁸],

33

1. O dlew nicze stopy M gA l, 2. C zysta m iedź,

3. Silum in,

4. M osiądze odlew nicze, 5. Ż eliw o szare,

6. Stale narzędziow e, 7. Stale łożyskow e,

8. W ęgliki spiekane, 9. W ęglikostale

10. Si³N⁴

Rys. 4.13. M etalogram - diagram ułatwiający dobór warunków preparatyki [4]

Fig. 4.13. Metalogram - scheme enabling preparation methods selection [4]

Przy podjęciu decyzji o sposobie przygotow ania zgładu do badań należy rów nież uw zględnić czynnik ekonom iczny. B ardzo często błędnie zakłada się, że niska cena m ateriałów eksploatacyjnych je s t rów noznaczna z niskim kosztem przygotow ania próbki.

Przy kalkulacji całkow itych kosztów preparatyki trzeba bow iem dodatkow o uw zględniać szybkość zużycia tych m ateriałów oraz całkow ity czas trw ania przygotow ania zgładu.

Inkludow anie próbek je s t bardzo często postrzegane jedynie ja k o zabieg ułatw iający w ykonanie zgładu. W rzeczyw istości od rodzaju tw orzyw a użytego do inkludow ania oraz popraw nego przeprow adzenia tego zabiegu zależy rów nież jak o ść obrazu w arstw y przy­

pow ierzchniow ej zgładu. Inkludow anie odgryw a zatem szczególnie w ażn ą rolę w przypadku próbek, w których ocenić należy m orfologię i geom etrię w arstw nanoszonych na p ow ierz­

chnię badanego w yrobu. Próbki przed inkludow aniem pow inny być oczyszczone oraz odtłuszczone. Jest to niezbędny w arunek uzyskania dobrego połączenia m iędzy tw orzyw em do inkludow ania i pow ierzchnią próbki.

W spólnie z firm ą B uehler przeprow adzono testy, których celem było dobranie najlepszej m etodyki inkludow ania próbek ze stali autom atow ej 1215 poddanej azotow aniu.

D o testów w ytypow ano cztery standardow e proszki do inkludow ania próbek m etalicznych o handlow ych nazw ach ba k elite, ep o m et, lucite oraz diallyl ph th alate. Przeanalizow ano 7 w ariantów inkludow ania różniących się zastosow anym proszkiem lub/i odm iennym i w arunkam i przeprow adzenia tego procesu. Podstaw ow ym kryterium oceny jak o ści testow anych m etod było uzyskanie w yraźnej i łatwej do ujaw nienia m etodam i kom puterow ym i granicy m iędzy w arstw ą naazotow aną a tw orzyw em użytym do inkludo­

wania. Efekty uzyskane d la dw óch z nich przedstaw iono na rys. 4.14.

Rys. 4.14. Próbki ze stali 1215 poddanej azotowaniu zainkludowane w epomecie (a) oraz w szybko schłodzonym bakelicie (b). Kolorową linią zaznaczono wydetekow aną granicę m iędzy w arstw ą naazotow anąa tworzywem użytym do inkludowania

Fig. 4.14. Samples of nitrided 1215 steel grade mounted in epomet (a) and quick quenched bakelite (b). Colour line designated detected boundary between nitrided layer and mounting material

W ykazano, że w szystkie zastosow ane m etody p o zw alają na uzyskanie popraw nej granicy m iędzy w arstw ą naazotow aną a tw orzyw em użytym do inkludow ania. D otyczy to rów nież próbek inkludow anych w szybko oziębionym ze stanu płynnego bakelicie, mimo że obserw uje się w nich w yraźną szczelinę m iędzy p ow ierzchnią próbki i w ypełnieniem (rys. 4 .14b).

O w iele trudniejsza je s t natom iast detekcja granicy: w arstw a naazotow ana - stal ze w zględu na zbliżone poziom y szarości tej granicy oraz granic ziam i iglastych w ydzieleń azotków obecnych w stali. Jedno z m ożliw ych rozw iązań przedstaw ione zostanie w rozdziale 7.

Przy doborze tw orzyw do inkludow ania próbek, które m ają być polerow ane lub trawione elektrolitycznie albo obserw ow ane za p o m o cą m ikroskopu skaningow ego, należy dodatkow o uw zględnić to, że tw orzyw a te m u szą przew odzić prąd elektryczny.

4.3.2. Trawienie

U zyskanie w yraźnego kontrastu pom iędzy m ierzonym i elem entam i struktury i tłem na polerow anych zgładach próbek z tw orzyw m etalicznych lub ceram icznych badanych na m ikroskopie św ietlnym w technice pola jasn eg o je s t m ożliw e tylko w nielicznych przypadkach. W ynika to ze stosunkow o małej różnicy naturalnej refleksyjności R w iększości faz w ystępujących w tych tw orzyw ach. W ielkość ta m a decydujący w pływ na ko n trast C m iędzy tym i fazam i, w yznaczany z zależności [⁶]:

C = - l- -/?2- (4.4)

gdzie: C - kontrast m iędzy fazam i 1 i 2,

Ri>R? - refleksyjność odpow iednio faz 1 i 2.

N ajbardziej znanym i fazam i, które m o g ą być detekow ane na zgładach nietraw ionych, są w trącenia niem etaliczne oraz grafit. P rzygotow anie zgładów m etalograficznych zaw ierających w ydzielenia tych faz musi być prow adzone bardzo ostrożnie, by nie dopuścić do ich w ypadania. W ym iary oraz kształt pustek pow stałych w tych m iejscach nie zaw sze bow iem o dpow iadają m orfologii w yrw anych w trakcie polerow ania cząstek (rys. 4.15a).

D etekcja w trąceń niem etalicznych staje się prostsza, gdy pow ierzchnia zgładu zostanie pokryta w arstw ą tlenków żelaza (rys. 4.15b).

35

Rys. 4.15. Wtrącenia siarczkowe widoczne w dwóch różnych miejscach próbki stali automatowej. Zgład polerowany (a) oraz dodatkowo pokryty w arstw ą tlenków żelaza (b) [15]

Fig. 4.15. Sulfides inclusions visible in two différent places of free-cutting Steel sample. Polished sample (a) and microsection additionally covered with iron oxides (b) [15]

A naliza zależności (4.4) pokazuje, że istnieje kilka sposobów zw iększania kontrastu.

N ajbardziej efektyw ne je s t obniżenie refleksyjności analizow anej fazy do zera. W tedy kontrast m iędzy obszaram i tej fazy oraz pozostałych faz w ystępujących w badanej próbce osiąga w artość m aksym alną rów ną jeden. W praktyce oznacza to zazw yczaj konieczność takiej zm iany topografii pow ierzchni analizow anych obszarów , by padające na n ią prom ienie św ietlne zostały w w yniku w ielokrotnego odbicia całkow icie w ygaszone. O dczynniki standardow o stosow ane do traw ienia struktury zazw yczaj nie działają tak intensyw nie i ujaw niają tylko granice m iędzyfazow e (rys. 4.16a, b). D etekcja obszarów analizow anych faz je s t w takim przypadku niem ożliw a. D ziałanie odczynników traw iących m ożna w praw dzie zintensyfikow ać p o przez podniesienie tem peratury lub w ydłużenie czasu traw ienia, ale obszary zajm ow ane przez analizow aną fazę nie traw ią się rów nom iernie, co utrudnia zastosow anie do jej analizy m etod kom puterow ych (rys. 4.16c).

Rys. 4.16. Obrazy struktury: stali N10 trawionej 2% nitalem (a) [15], oraz mosiądzu ot+p (40% Zn) trawionego lekko (b) oraz silnie (c) 10% (NFLihSzOg [56]

Fig. 4.16. Images of: N10 steel etched with 2% nital (a) [15], a + P brass (40% Zn) weakly (b) and strongly (c) etched with 10% (N H ^ S jO g [56]

Z jaw isko to dotyczy w iększości tw orzyw w ielofazow ych. Istn ieją je d n a k w yjątki od tej reguły. Przykładow o, kontrast m iędzy obszaram i perlitu a ziarnam i ferrytu w stalach w ęglow ych, uzyskany w w yniku traw ienia nitalem , je s t w ystarczający do popraw nej detekcji tych obiektów . Efekt ten w ynika z płytkow ej budow y perlitu. D uża dyspersja ferrytu i cem entytu, z których składa się perlit, sprawia, że silnie w ytraw ione granice m iędzy tym i fazam i są - przy niew ielkim pow iększeniu m ikroskopu - w idoczne ja k o jed n o lite, ciem ne obszary (rys. 4.17a). Z jaw isko to zanika w m iarę w zrostu pow iększenia, przy którym rejestrow ane są obrazy analizow anej struktury. U trudnia to w znacznym stopniu detekcję perlitu (rys. 4.17b).

Rys. 4.17. Struktura stali węglowej ferrytyczno-perl¡tycznej zarejestrowana przy powiększeniu optycznym 100X (a) oraz jej fragment widoczny przy powiększeniu 1500X (b)c)

Fig. 4.17. Structure of carbon ferritic-pearlitic Steel registered at 100X optical magnification (a) and its fragment at 1500X magnification (b)

Z punktu w idzenia potrzeb kom puterow ych m etod oceny struktury korzystniejsze je st zatem użycie odczynników selektyw nie i rów nom iernie traw iących całe obszary analizow anych obiektów . W w ielu przypadkach zastąpienie je d n eg o standardow ego odczynnika traw iącego innym je s t w ystarczające dla spełnienia tego w arunku.

N a rys. 4.18 przedstaw iono binarne obrazy w ydzieleń cem entytu otrzym ane za p o m o cą m etody m aksim um w ariancji (rozdział 6.3) na zgładach narzędziow ej stali w ęglow ej A ISI W 2 poddanych działaniu różnych, klasycznych odczynników traw iących.

A utom atyczna detekcja w ydzieleń cem entytu na zgładach traw ionych nitalem je s t niem ożliw a (rys. 4 .1 8a). O dczynnik ten nadtraw ia jed y n ie granice cem entyt - osnow a m etaliczna oraz granice byłego ziarna austenitu. W zw iązku z tym w w yniku binaryzacji w ydetekow ane zostają te granice, a nie obszary zajm ow ane przez cem entyt (praw a część rys. 4.18a).

Pikral trawi granice cem entyt - osnow a m etaliczna bardziej intensyw nie niż nital (lew a część rys. 4 .1 8b). B inaryzacja i w tym przypadku nie pozw ala na popraw ne ujaw nienie obszaru zajm ow anego przez w ydzielenia cem entytu (praw a część rys. 4 .1 8b). U zyskany obraz binarny zaw iera je d n a k kontur w iększości tych w ydzieleń. Z astosow anie procedury w ypełnianie otw orów (rozdział 6.4) pozw ala ujaw nić praw ie w szystkie poszukiw ane obszary (praw a część rys. 4.18c).

e) Informacje dotyczące sposobu trawienia oraz w arunków akwizycji podano w opisie obrazów struktury tylko w tym przypadku, gdy odbiegają one od standardowych dla danego materiału i użytej techniki rejestracji obrazu.

37

Rys. 4.18. Obszary wydzieleń cementytu otrzymane poprzez binaryzację obrazów struktury stali A1SI W2 trawionej: 2% nitalem (a), 4% pikralem (b i c), wrzącym pikrynianem sodu (d) oraz odczynnikami Klemma 1 (e) i Beraha (f) [56]

Fig. 4.18. Cementite particles detected in structure of AISI W2 Steel etched with 2% nital (a), 4% picral (b, c), boiling alkaline sodium picrate (d), Klemm’s I tint etch (e) and Beraha tint etch (f) [56]

N ajlepsze efekty z punktu w idzenia m etalografii ilościow ej daje traw ienie pikrynianem sodu (rys. 4 .1 8d) oraz odczynnikiem K lem m a (rys. 4.18e). W obydw u przy­

padkach obszary w ydzieleń cem entytu oraz granice m iędzyfazow e przy jm u ją identyczny poziom szarości istotnie różny od poziom u szarości osnow y m etalicznej. O dczynnik B eraha traw i natom iast silniej te granice (rys. 4 .1 8 0 , co pow oduje, że w nętrze niektórych w ydzieleń cem entytu nie je s t praw idłow o detekow ane. Z jaw isko to je s t szczególnie w idoczne wtedy, gdy stosow ane są autom atyczne m etody binaryzacji (rozdział 6.3). Popraw a jak o ści obrazów struktury ocenianych kom puterow o poprzez odpow iednią zm ianę odczynnika traw iącego je s t m ożliw a rów nież w przypadku innych grup tw orzyw [56],

R e lie f pow stający w trakcie traw ienia chem icznego na pow ierzchni zgładu, niezbędny dla uzyskania odpow iedniego kontrastu m iędzy fazam i w ystępującym i w badanym tw orzyw ie, m oże prow adzić do błędnej oceny w ielkości i udziału objętościow ego m ierzonych obiektów . Przykładow o, obraz struktury perlitu po traw ieniu nie przedstaw ia losow ego przekroju tw orzących go faz, lecz rzut słabiej traw iących się płytek cem entytu o w ysokości h na płaszczyznę zgładu (rys. 4.19).

Rys. 4.19. Pozorna zmiana udziału objętościowego faz wywołana przez relief na powierzchni zgładu Fig. 4.19. A pparent change in phases volume fraction caused by relief on microsection surface

D latego gdy w ytraw ione płytki cem entytu nie są prostopadłe do pow ierzchni zgładu, ich udział objętościow y V v (Fe³C) nie je s t rów ny udziałow i pow ierzchniow em u A ’a . R zeczyw ista w artość VvCFejC) w takim przypadku m oże być w yznaczona z zależności [11]:

Vv ( F e i C ) = A ,A - S^ - k (4.5)

gdzie: A ’a - udział pow ierzchniow y płytek cem entytu n a zgładzie, Sv - pow ierzchnia w łaściw a granic płytek cem entytu.

Praktyczne znaczenie tego w zoru je s t je d n a k niew ielkie, gdyż w ysokość reliefu h je st zazwyczaj nieznana. D latego od szeregu lat poszukiw ano takich m etod ujaw niania struktury, w których re lie f m ożna całkow icie w yelim inow ać lub ograniczyć go do m inim um .

Z aow ocow ało to pojaw ieniem się szeregu technik w ykorzystujących zjaw isko interferencji prom ieni św ietlnych odbitych od zgładu oraz dodatkow ej, naniesionej na jeg o pow ierzchnię cieniutkiej w arstew ki interferencyjnej. W zrost kontrastu m iędzy fazam i uzyskuje się w tym przypadku nie tylko poprzez obniżenie ich refleksyjności, lecz także na skutek zróżnicow ania ich zabarw ienia. M etody te są z dużym pow odzeniem od lat stosow ane w klasycznej m ikroskopii św ietlnej [27],

Je d n ą z je j odm ian je s t traw ienie chem iczne. W ykorzystyw ane do tego celu odczynniki zaw ierają najczęściej takie zw iązki chem iczne, ja k : N a2S2 0 5, K2S2O5, Na²S²C>³'⁵H^{2 0} [44]. W czasie traw ienia w w odnych lub alkoholow ych roztw orach tych odczynników uw olnione zo stają na skutek rozpadu aniony siarki. Istn ieją rów nież rozw iązania, w których aniony siarki uw alniane są z fazy gazow ej [38]. R eag u ją one z kationam i m etali tw orząc siarczki, które w postaci cienkiego film u o grubości 0.04 - 0.5 gm osadzają się na pow ierzchni zgładu. O bszar każdej fazy w ystępującej w badanej próbce barw i się na określony k olor jed y n ie w tedy, gdy w arunki traw ienia (czas i tem peratura) p o zo stają niezm ienne. T raw ienie barw ne pozw ala rów nież na ujaw nienie segregacji w roztw orze stałym. Jest to szczególnie w ażne w przypadku m ateriałów w stanie lanym . D latego ta technika traw ienia rozw ijana je s t głów nie w ośrodkach zajm ujących się badaniam i struktury tw orzyw odlew niczych [43, 44].

39

Podobne efekty m ożna uzyskać stosując traw ienie potencjostatyczne w odpow iednio dobranych odczynnikach. T echnika ta została zastosow ana do selektyw nego ujaw niania w ęglików różnego typu w stalach szybkotnących [35], Jest to je d n a z pierw szych prac, w których param etry procesu traw ienia dobierano pod kątem potrzeb ilościowej oceny struktury. U zyskane w w yniku długotrw ałych prób różnice w zabarw ieniu w ęglików różnych typów byłe tak znaczne, że ich detekcja stała się m ożliw a naw et za p o m o cą analizatorów obrazu pracujących jed y n ie na obrazach szarych.

W obydw u om ów ionych m etodach w arstew ka interferencyjna je s t produktem reakcji zachodzących m iędzy odczynnikiem traw iącym oraz m ateriałem próbki. W arstew ki nanoszone za p o m o cą techniki naparow yw ania lub rozpylania p o siad ają natom iast skład chem iczny m ateriału użytego do ich utw orzenia. M etody te szczegółow o opisano w obszernej m onografii [⁶].

M im o szeregu zalet traw ienia kolorow ego, je g o w ykorzystanie w m etalografii ilościowej je s t stosunkow o niew ielkie. Jed n ą z przyczyn je s t bez w ątpienia w iększa złożoność tej techniki, niż technik tradycyjnych. Poza tym w dalszym ciągu obróbka obrazów kolorow ych nie je s t standardem w każdym z dostępnych na rynku program ów do analizy obrazu. C zasam i skutecznym rozw iązaniem m oże być użycie do rejestracji obrazów kolorow ych kam ery czarno-białej. D otyczy to na przykład m ikrostruktury lutu BNi-5 [⁶], przedstaw ionej na rys. 4.20.

Rys. 4.20. Mikrostruktura lutu BNi-5 [6], Kolorem zielonym zaznaczono obszary krzemków zawierających 75% Ni, 7% Cr i 16% Si wydetekowane przez autora rozprawy

Fig. 4.20. Microstructure of brazing metal Bni-5 [6] with detected in green colour silicides containing 75% Ni, 7% Cr and 16% Si

Pierw szy z nich oznaczony sym bolem (a) zarejestrow ano za p o m o cą kam ery czarno­

białej na zgładzie nietraw ionym . W skaźnik zgodności W Z obszarów krzem ków zaw iera­

jący c h 75% N i, 7% C r i 16% Si (zaznaczono je na zielono) w ydetekow anych na tym obrazie w ynosi 0.75. D w a pozostałe obrazy uzyskano przy użyciu kam ery kolorow ej (b) oraz czarno­

białej (c) po uprzednim w ytw orzeniu na pow ierzchni zgładu w arstew ki interferencyjnej ZnTe.

D okładność detekcji w spom nianych krzem ków na ostatnim z w ym ienionych obrazów ( W Z=0.98) je s t zbliżona do uzyskanej na obrazie zarejestrow anym za p o m o cą kam ery kolorowej (W Z=1). Zazw yczaj jed n ak transform acja obrazu kolorow ego na w ieloodcieniow y prow adzi do utraty szeregu inform acji, co m oże w znacznym stopniu utrudnić popraw ną detekcję (rys. 4.21).

M ożna przypuszczać, że liczba kam er kolorow ych używ anych do rejestracji obrazów struktury będzie stale rosła, co znacznie zw iększy stopień w ykorzystania w m etalografii ilościowej obrazów struktury ujaw nianych za pom ocą traw ienia barw nego.

Rys. 4.21. Mikrostruktura lutu BNi-5 [6], Kolorem zielonym zaznaczono obszary krzem ków zawierających 68% Ni, 15% Cr i 15% Si wydetekowane przez autora rozprawy

Fig. 4.21. M icrostructure o f brazing metal Bni-5 [6] with detected in green colour silicides containing 68% Ni, 15% Cr and 15% Si

Preparatyka próbek z tw orzyw m etalicznych badanych za p o m o c ą m ikroskopu skaningow ego nie różni się od stosow anej zazw yczaj w m ikroskopii św ietlnej. D la uzyskania dobrej ja k o śc i klasycznego dla m ikroskopii skaningow ej obrazu elektronów w tórnych konie­

czne je s t w w iększości przypadków w ytraw ienie zgładu. Czasam i w ystarczający kontrast można rów nież uzyskać na zgładach jed y n ie polerow anych [W 23]. O bserw acja próbek tw o ­ rzyw niem etalicznych przy standardow ych napięciach przyspieszających (15 - 25 kV ) w ym a­

ga napylenia ich pow ierzchni m ateriałem przew odzącym (zazw yczaj C, C u, Au, A g lub Cr).

Istnieje rów nież m ożliw ość prow adzenia badań na próbkach b ez w arstw y przew odzącej [W24], K onieczne je s t je d n a k w tedy zastosow anie bardzo niskich napięć przyspieszających (około 0.5kV ). N ajlepsze w arunki dla tego typu obserw acji zapew niają m ikroskopy skaningo­

we z zim n ą katodą, w których pogorszenie zdolności rozdzielczej ze spadkiem napięcia przyspieszającego je s t znacznie m niejsze niż w m ikroskopach klasycznych [W 5, W 9, 61].