Metalografija

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Mikrostruktura bronce koja pokazuje dendritičku (u obliku jelke) strukturu.
Triklinska kristalna rešetka.
Legura aluminija s 4% bakra, a mikrostruktura pokazuje taloženje bakra (tamni dijelovi) unutar osnove aluminija.
Galvanizirana površina čelika s vidljivim kristalnim zrnima cinka. Kristalna zrna čelika ispod zaštitnog sloja cinka su mikroskopska (mikrostruktura).
Prikaz kristalne rešetke cementita (F3C). Atomi željeza su plave boje.
Stabilni dijagram stanja (fazni dijagram) željezo – ugljik (cementit).
Izbrusak bakra dobiven jetkanjem.
Uređaj za umetanje uzorka u polimernu smolu.
Skenirajući elektronski mikroskop (SEM) koji se koristi u metalografiji.

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 - уреди | uredi izvor]

Glavni članak: Metalna veza

Metalna 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 - уреди | uredi izvor]

Glavni članak: Kristali metala

Metali 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 - уреди | uredi izvor]

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 sistemi[uredi - уреди | uredi izvor]

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 - уреди | uredi izvor]

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 slijedeći 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 - уреди | uredi izvor]

Pri proučavanju metala, radi pojednostavljenja, koriste se tzv. idealni kristali s 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 - уреди | uredi izvor]

Glavni članak: Fazni dijagram

Primarna 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 - уреди | uredi izvor]

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 s 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 - уреди | uredi izvor]

Ako detaljnije proučimo masivni, čvrsti uzorak metala ustanoviti 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 - уреди | uredi izvor]

Razlikuje se makroskopska, svjetlosno-mikroskopska i elektronsko-mikroskopska metalografija.

Makroskopska metalografija[uredi - уреди | uredi izvor]

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 - уреди | uredi izvor]

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 - уреди | uredi izvor]

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 sa 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 - уреди | uredi izvor]

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 slijedećeg:

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 - уреди | uredi izvor]

  1. "Strojarski priručnik", Bojan Kraut, Tehnička knjiga Zagreb 2009.
  2. [1] "Fizikalna metalurgija I", dr.sc. Tanja Matković, dr.sc. Prosper Matković, www.simet.unizg.hr, 2011.
  3. "Tehnička enciklopedija", glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.
  4. [2] "Materijali I", Izv. prof. dr. sc. Loreta Pomenić, www.riteh.uniri.hr, 2011.