Metalografija
Metalografija se bavi istraživanjem strukture metala i legura pomoću svjetlosnog (metalografskog) i elektronskog mikroskopa. Makrostruktura je vidljiva golim okom ili uz malo povećanje. Mikrostruktura zahtijeva pomoć mikroskopa, a povećanje treba biti barem 25 puta. Metalografska analiza može dati podatke o sastavu materijala, prethodnoj obradi i svojstvima, posebno:
- veličinu kristalnog zrna
- prisutne faze
- kemijsku homogenost
- raspodjelu faza
- deformacije strukture nastale nakon plastične deformacije materijala
- debljinu i strukturu površinskih prevlaka
- određivanje pukotine i načina loma
Metalna veza[uredi | uredi kôd]
Podrobniji članak o temi: Metalna vezaMetalna veza je veza između atoma metala. Osnovna privlačna sila koja djeluje između atoma metala uzrokovana je uzajamnim djelovanjem metalnih iona i zajedničkog elektronskog oblaka. Svi atomi su postali pozitivni ioni koje čvrsto veže jedan oblak delokaliziranih elektrona. Metalna veza nije usmjerena u prostoru.[1]
Kristalna struktura metala[uredi | uredi kôd]
Podrobniji članak o temi: Kristali metalaMetali u čvrstom agregatnom stanju mogu biti kristalni ili amorfni, ovisno o pravilnosti rasporeda atoma u prostoru. Kristalno stanje karakterizira ponavljanje ili periodičnost rasporeda atoma i to na većim udaljenostima, na atomskoj skali. Prilikom skrućivanja taline atomi metala se slažu u pravilan trodimenzionalan raspored, tako da je svaki atom povezan s najbližim susjednim atomima i tvori kristalnu strukturu. O njoj ovise mnoga svojstva metala u čvrstom kristalnom stanju. Poznat je čitav niz različitih kristalnih struktura koje se mijenjaju od prilično jednostavnih za metale - elemente do znatno složenijih za intermetalne spojeve. Kod predočavanja kristalnih struktura primjenjuje se model atoma kao čvrstih sfera, što znači da se atomi prikazuju kao čvrste kugle s određenim promjerima.
Elementarna ćelija[uredi | uredi kôd]
U pravilnom rasporedu atoma kristalne strukture može se uočiti mala grupa atoma s karakterističnim motivom koji se ponavlja u prostoru. Ta činjenica olakšava njeno opisivanje stoga što se ona može podijeliti u male ponavljajuće motive ili tzv. elementarne ćelije. Elementarna ćelija je osnovna strukturna jedinica koja sa svojom geometrijom i položajima atoma određuje kristalnu strukturu, jer se svi položaji atoma u kristalu mogu dobiti translacijom elementarne ćelije u smjeru njezinih bridova. Ona se može definirati i kao ireducibilna reprezentacija određene simetrije. Geometriju elementarne ćelije u potpunosti određuje šest parametara: tri dužine stranica a, b i c i tri kuta među njima α, β i γ, koji se nazivaju parametrima rešetke kristalne structure. Poznato je 14 tipova elementarnih ćelija koje se razlikuju u stupnju translacijske simetrije, a nazivaju se Bravaisove ćelije.
Kristalni sustavi[uredi | uredi kôd]
Kristalne strukture mogu se podijeliti u grupe sukladno konfiguraciji elementarne ćelije i rasporedu atoma. Postoji ukupno šest kombinacija parametara rešetke koji daju različite kristalne sustave. Između 6 kristalnih sustava raspodijeljeno je 14 mogućih Bravaisovih ćelija. Romboedrijski “sustav” se ponekad izdvaja kao poseban iako on pripada heksagonskom sustavu.[2]
Premda je broj Bravaisovih ćelija malen, broj mogućih kristalnih struktura je velik, jer se položaji u ćeliji mogu umjesto s jednim zamijeniti s grupama atoma (kod spojeva), a i veličine parametara elementarne ćelije mogu biti različite. Bakar i aluminij imaju npr. iste kristalne strukture, ali različite veličine parametara.
Drugi razrađeniji pristup u razvrstavanju mogućih kristalnih struktura uzima u obzir elemente simetrije, kao što su osi, centar simetrije i ravnine simetrije, što daje ukupno 32 kristalne klase. Kada se tome dodaju i elementi translacije koje daju zavrtajne osi i klizne ravnine dobije se ukupno 230 prostornih grupa simetrije (Schonflies, Fedorov) koje opisuju sve moguće kristalne strukture.
Kristalne strukture legura[uredi | uredi kôd]
Različite vrste atoma mogu se miješati u čvrstom i tekućem stanju, pri čemu nastaju legure ili slitine. One mogu imati sređen ili statistički raspored atoma, koji se rijetko ostvaruje u potpunosti. Legure su makroskopski gledano homogene tvari koje imaju svojstva metala, a sastoje se od dva ili više elemenata od kojih najmanje jedan mora biti metal. Bakar je praktički jedini metal koji se u većim količinama upotrebljava u čistom stanju. Najveći broj elemenata miješa se ili legira s drugim elementima da bi se dobili materijali boljih svojstava. Prilikom miješanja dva metala mogući su sljedeći slučajevi:
- metali se miješaju: atomi dodanog ili legirajućeg metala ulaze u kristalnu rešetku osnovnog metala ili matrice, te nastaju kristali mješanci ili čvrste otopine. Postoje dvije vrste čvrstih otopina: supstitucijske i intersticijske.
- metali stvaraju intermedijarnu fazu ili intermetalni spoj sa strukturom koja se razlikuje od strukture polaznih metala.
Greške kristalne rešetke[uredi | uredi kôd]
Pri proučavanju metala, radi pojednostavljenja, koriste se tzv. idealni kristali sa zamišljenom, savršeno pravilnom rešetkom. U prirodi postoje naravno samo stvarni kristali, čija rešetka ima manje ili više grešaka. Komercijalne legure sastoje se upravo od takvih stvarnih kristala. Unutar okvira zamišljenih, savršenih rešetaka postoje u stvarnosti određene greške, koje značajno utječu na mnoga svojstva metala. Čak, i u svakom drugom pogledu, potpuno savršene rešetke imaju svoje atome malo pomaknute s idealnih pozicija zbog toplinskog titranja.
Pritom treba imati na umu, da se pri veoma polaganom rastu kristala, od npr. 1 mm na dan, slaže oko 100 slojeva atoma u sekundi. Kod idealnog kristala svi atomi u rešetki trebaju biti složeni prema odgovarajućem, savršenom rasporedu. To se u prirodi teško ostvaruje, pa prilikom kristalizacije dolazi do pojave različitih defekata u strukturi kristalne rešetke. Ponekad, ti vrlo mali defekti imaju presudan utjecaj na svojstva realnih kristala kao što su čvrstoća, plastičnost, difuzija itd. Poznato je, da greške s obzirom na svojstva nemaju uvijek negativni prizvuk, pa je kristal metala s određenom koncentracijom nekih grešaka rešetke termodinamički stabilniji od odgovarajućeg “idealnog” kristala; npr. “idealno” kristalizirana mjed (CuZn) suviše je krhka i ne može se valjati.
Dijagrami stanja[uredi | uredi kôd]
Podrobniji članak o temi: Fazni dijagramPrimarna upotreba termodinamike u fizičkoj metalurgiji odnosi se na rješavanje značajnih pitanja, kao što su predviđanje kada je neki sustav u ravnoteži ili kada će se i dokle odvijati neka reakcija. Fazne promjene kod metala i legura proučavaju se već dugi niz godina, a dobivene informacije se bilježe u obliku ravnotežnih faznih dijagrama ili konstitucijskih dijagrama stanja. Poznavanje faznih dijagrama sustava legura veoma je važno, jer njihove karakteristike ukazuju npr. na stanje mikrostrukture, koja je u odnosu s mehaničkim svojstvma materijala. Iz faznog dijagrama mogu se također dobiti vrijedne informacije o taljenju, lijevanju, skrućivanju i sličnim pojavama.[3]
Dijagram stanja željezo – ugljik (cementit)[uredi | uredi kôd]
Legure željeza i ugljika do određenog udjela nazivaju se čelici. To su tehnički materijali složene mikrostrukture. Zbog visokog sadržaja željeza u kori Zemlje ove legure su jeftinije od svih drugih, pa zbog toga i svojih veoma dobrih svojstava, imaju veliku primjenu. Obilježava ih široki raspon mehaničkih svojstava i odgovarajuće mikrostrukture, koje nastaju transformacijom u čvrstom stanju. Posebna značajka ovih legura je, da se njihova svojstva mogu vrlo precizno mijenjati sa zagrijavanjem ili hlađenjem pod kontroliranim uvjetima. Zbog toga je vrlo važan fazni dijagram željezo – ugljik (cementit), o kojem ovise i svi postupci toplinske obrade.
Difuzija u metalima[uredi | uredi kôd]
Ako detaljnije proučimo masivni, čvrsti uzorak metala ustanovit ćemo da ima neke neočekivane karakteristike. Uzimajući u obzir pojam atomske strukture ovakav uzorak većim dijelom sadrži "prazan prostor", jer je jezgra atoma (a time uglavnom i masa) koncentrirana u malom prostoru nasuprot veličini atoma. Također i prostor rešetke nije potpuno ispunjen atomima. Naime i najgušće ispunjena rešetka kao što je npr. kubično plošno centrirana (KPC) ima ispunjen prostor tek 74 %.
Atomi u čvrstom tijelu nisu statični, već se gibaju "korak po korak" kroz veća područja. Pojava prijenosa mase koja se ostvaruje migracijom atoma naziva se difuzija. Ona se dešava u svim uvjetima (npr. gredici čistog aluminija kod sobne temperature), a na difuziji se temelje mnoge reakcije i procesi važni u proizvodnji metala. Tako npr. lijevane legure poprimaju ujednačen sastav kada se atomi metala gibaju iz područja više koncentracije u područje niže koncentracije (homogenizacija); površina niskougljičnih čelika može se otvrdnjavati procesom difuzije atoma ugljika (naugljičavanje); postupci toplinske obrade čelika temelje se na difuziji itd.
Metode rada u metalografiji[uredi | uredi kôd]
Razlikuje se makroskopska, svjetlosno-mikroskopska i elektronsko-mikroskopska metalografija.
Makroskopska metalografija[uredi | uredi kôd]
Makrostruktura je vidljiva golim okom ili uz malo povećanje. Predmet mikroskopske metalografije jesu makropojave koje potječu od dobivanja i prerade metala, kao što su uključci troske, pore, pukotine, lunkeri, nakupine u materijalu, različiti lomovi itd.
Svjetlosno-mikroskopska metalografija[uredi | uredi kôd]
Pomoću svjetlosnog mikroskopa mogu se postići korisna povećanja do 2000 puta. Istraživanje pomoću svjetlosnog mikroskopa omogućuju studij faza koje nastaju prilikom skrućivanja i kao posljedica promjena u čvrstom stanju, te uočavanje grešaka mikrostrukture, kao što su malokutne i velikokutne granice kristala, granice faza, granice kristala dvojnika, mikroporoznosti i mukrouključci, fizikalne nečistoće (uključine) itd.
Zbog neprozirnosti metala i slitina takva se istraživanja provode pomoću svjetlosnog mikroskopa na osnovu reflektiranog svjetla (uobičajen je naziv metalurški mikroskop). Brušenjem i naknadnim mehaničkim poliranjem potrebno je pripremiti izbrusak ravne površine i visokog metalnog sjaja.
Priprema uzorka metala za metalografsku analizu[uredi | uredi kôd]
Metalni uzorci ne propuštaju svjetlost. Za mikroskopiranje uzoraka metala koriste se svjetlosni (metalografski) mikroskopi, koji su konstruirani tako da se koristi svjetlo koje pada na površinu uzorka. Sustavom zrcala i leća u mikroskopu se povećava slika površine metalnog uzoka. Zbog korištenja reflektiranog svjetla s površine metalnog uzorka, površina uzorka mora se prije mikroskopiranja temeljito pripremiti.[4]
Priprema uzorka metala za metalografsku analizu se satoji od:
- uzimanje (izrezivanje) reprezantanivnog uzorka iz osnovnog materijala (ili oštećenog materijala)
- pripremanje početne ravne površine uzorka i brušenje uzorka
- umetanje uzorka u polimernu smolu
- poliranje površine uzorka
- odmašćivanje,ispiranje i sušenje površine uzorka
- kemijsko nagrizanje površine uzorka
- ispiranje i sušenje površine uzorka
Elektronska metalografija[uredi | uredi kôd]
Kad snop elektrona padne na kristalnu tvar, on će se otkloniti prema istim geometrijskim zakonima koji vrijede za rendgensko zračenje. Prednosti primjene elektronskog mikroskopa s obzirom na svjetlosni mikroskop proizlaze iz sljedećeg:
- zbog vrlo male valne duljine elektrona (oko 0,004 nm) razlučivanje je veliko, svega nekoliko desetina nanometara, što odgovara veličini parametara metalnih (kristalnih) rešetki,
- u usporedbi s apsorpcijom vidljivog svjetla, udio raspršenih elektrona kod metala je tako malen da je moguće prosvjetljivanje metala.
Primjena elektronskog mikroskopa u metalografiji ima smisla samo tada kada se pojedini elementi mikrostrukture ne mogu dalje razlučiti pomoću svjetlosnog mikroskopa. Površina izbruska može se pomoću elektronskog mikroskopa promatrati posredno, pomoću otiska (replika).
Izvori[uredi | uredi kôd]
- ↑ "Strojarski priručnik", Bojan Kraut, Tehnička knjiga Zagreb 2009.
- ↑ [1] Arhivirana inačica izvorne stranice od 4. srpnja 2014. (Wayback Machine) "Fizikalna metalurgija I", dr.sc. Tanja Matković, dr.sc. Prosper Matković, www.simet.unizg.hr, 2011.
- ↑ "Tehnička enciklopedija", glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.
- ↑ [2] Arhivirana inačica izvorne stranice od 5. studenoga 2010. (Wayback Machine) "Materijali I", Izv. prof. dr. sc. Loreta Pomenić, www.riteh.uniri.hr, 2011.