تطبيق المجهر الإلكتروني الماسح في تحليل فشل المواد المعدنية

المواد المعدنية هي مواد ذات خصائص مثل اللمعان، والليونة، وسهولة التوصيل، وانتقال الحرارة. وتنقسم بشكل عام إلى نوعين: معادن حديدية ومعادن غير حديدية. تشمل المعادن الحديدية الحديد والكروم والمنغنيز وما إلى ذلك. وحتى الآن، لا يزال الحديد والصلب يهيمنان على تكوين المواد الخام الصناعية. تستخدم العديد من شركات الصلب ومعاهد الأبحاث المزايا الفريدة لـ SEM لحل المشكلات التي تواجه الإنتاج وللمساعدة في البحث وتطوير منتجات جديدة. أصبح المسح المجهري الإلكتروني مع الملحقات المقابلة أداة مناسبة لصناعة الصلب والمعادن لإجراء البحوث وتحديد المشاكل في عملية الإنتاج. مع زيادة دقة SEM والأتمتة، أصبح تطبيق SEM في تحليل المواد وتوصيفها أكثر انتشارًا.

يعد تحليل الفشل نظامًا جديدًا تم نشره من قبل المؤسسات العسكرية للبحث في العلماء والمؤسسات في السنوات الأخيرة. يمكن أن يؤدي فشل الأجزاء المعدنية إلى تدهور أداء قطعة العمل في الحالات البسيطة وحوادث سلامة الحياة في الحالات الكبرى. يعد تحديد أسباب الفشل من خلال تحليل الفشل واقتراح تدابير التحسين الفعالة خطوات أساسية لضمان التشغيل الآمن للمشروع. ولذلك، فإن الاستفادة الكاملة من مزايا الفحص المجهري الإلكتروني الماسح سيساهم بشكل كبير في تقدم صناعة المواد المعدنية.

01 ملاحظة بالمجهر الإلكتروني لكسر الشد للأجزاء المعدنية     

يحدث الكسر دائمًا في الجزء الأضعف من الأنسجة المعدنية ويسجل الكثير من المعلومات القيمة حول عملية الكسر بأكملها، لذلك تم دائمًا التركيز على ملاحظة ودراسة الكسر في دراسة الكسر. يستخدم التحليل المورفولوجي للكسر لدراسة بعض المشاكل الأساسية التي تؤدي إلى كسر المادة، مثل سبب الكسر، وطبيعة الكسر، وطريقة الكسر. إذا أردنا دراسة آلية كسر المادة بعمق، فعادةً ما يتعين علينا تحليل تكوين المنطقة الدقيقة على سطح الكسر، وقد أصبح تحليل الكسر الآن أداة مهمة لتحليل فشل المكونات المعدنية.

الشكل 1. CIQTEK المجهر الإلكتروني الماسح SEM3100 مورفولوجيا كسر الشد

وفقا لطبيعة الكسر، يمكن تصنيف الكسر على نطاق واسع إلى كسر هش وكسر بلاستيكي. عادة ما يكون سطح الكسر للكسر الهش عموديًا على إجهاد الشد، ويتكون الكسر الهش من سطح لامع بلوري لامع من المنظر العياني؛ عادة ما يكون الكسر البلاستيكي ليفيًا مع وجود غمازات دقيقة على الكسر من وجهة النظر المجهرية.

الأساس التجريبي لتحليل الكسر هو الملاحظة والتحليل المباشر للخصائص المورفولوجية والمجهرية لسطح الكسر. في كثير من الحالات يمكن تحديد طبيعة الكسر وموقع البدء ومسار امتداد الكسر باستخدام الملاحظة المجهرية، ولكن لإجراء دراسة تفصيلية بالقرب من مصدر الكسر لتحليل سبب الكسر وآلية الكسر، يجب الملاحظة المجهرية. ضروري، ونظرًا لأن الكسر عبارة عن سطح غير مستوٍ وخشن، فيجب أن يتمتع المجهر المستخدم لمراقبة الكسر بأقصى عمق للمجال وأوسع نطاق تكبير ممكن ودقة عالية. من خلال الجمع بين هذه الاحتياجات، يتم استخدام SEM على نطاق واسع في مجال تحليل الكسور. الشكل 1: ثلاث عينات من كسر الشد، من خلال الملاحظة العيانية منخفضة التكبير ومراقبة البنية المجهرية العالية التكبير، عينة الكسر هي نمط نهر (الشكل أ) لخصائص الكسر الهش النموذجية؛ عينة B العيانية لا مورفولوجيا ليفي (الشكل B)، المجهرية لا تظهر أعشاش صعبة، لكسر هش؛ تتكون العينة C من الكسر العياني من جوانب لامعة، وبالتالي فإن كسر الشد أعلاه عبارة عن كسر هش.

02 المراقبة المجهرية الإلكترونية لشوائب الفولاذ

يعتمد أداء الفولاذ بشكل أساسي على التركيب الكيميائي وتنظيم الفولاذ. توجد الشوائب في الفولاذ بشكل أساسي في شكل مركبات غير معدنية، مثل الأكاسيد والكبريتيدات والنيتريدات وما إلى ذلك، والتي تسبب تنظيمًا غير متساوٍ للصلب، كما أن هندستها وتركيبها الكيميائي والعوامل الفيزيائية وما إلى ذلك لا تصنع الفولاذ فقط. يتم تقليل أداء المعالجة الباردة والساخنة، ولكنها تؤثر أيضًا على الخواص الميكانيكية للمادة. إن تكوين وعدد وشكل وتوزيع الشوائب غير المعدنية لها تأثير كبير على القوة واللدونة والمتانة ومقاومة التعب ومقاومة التآكل وغيرها من خصائص الفولاذ، وبالتالي فإن الشوائب غير المعدنية هي عناصر لا غنى عنها في الفحص المعدني للمواد الفولاذية. من خلال دراسة سلوك الشوائب في الفولاذ، باستخدام التكنولوجيا المناسبة لمنع تكوين المزيد من الشوائب في الفولاذ وتقليل الشوائب الموجودة بالفعل في الفولاذ، من المهم جدًا إنتاج فولاذ عالي النقاء وتحسين أداء الفولاذ.

الشكل 2: الادراج التشكل

الشكل 3: يتضمن مركب TiN-Al2O3 التحليل الطيفي لسطح الطاقة

في حالة الادراج المبينة في الشكل 2 والشكل 3، باستخدام SEM لمراقبة الادراج، جنبا إلى جنب مع تحليل طيف الطاقة للادراج الموجودة في الحديد النقي، يمكن ملاحظة أن أنواع الادراج الموجودة في الحديد النقي هي أكسيد، نيتريد والادراج المركبة.

على سبيل المثال، من خلال قياس طول الادراج في الحالة الموضحة أعلاه، يمكن ملاحظة أن متوسط ​​حجم الادراج Al2O3 يبلغ حوالي 3 ميكرومتر، وTiN وAlN ضمن 5 ميكرومتر، وحجم الادراج المركبة لا يتجاوز 8 ميكرومتر؛ تلعب هذه الشوائب الدقيقة دورًا ربطًا للمجالات المغناطيسية داخل الحديد النقي الكهروتقني، مما سيؤثر على الخواص المغناطيسية النهائية.

قد يكون مصدر شوائب الأكسيد Al2O3 هو منتجات إزالة الأكسدة لصناعة الفولاذ والأكاسيد الثانوية لعملية الصب المستمر، ويكون الشكل في المادة الفولاذية كرويًا في الغالب، وهو جزء صغير من الشكل غير المنتظم. عند مراقبة الادراج، لا ينبغي لنا أن نلاحظ فقط مورفولوجية وتكوين الادراج، ولكن أيضا الالتفات إلى حجم وتوزيع الادراج، الأمر الذي يتطلب تقييما شاملا لمستوى الادراج. على سبيل المثال، إذا أدت الشوائب إلى تشقق قطعة العمل لتحليل الفشل، فعادةً ما يتم العثور على جزيئات كبيرة من الشوائب في مصدر التشقق، لذلك من المهم دراسة حجم الشوائب وتكوينها وكميتها وشكلها لتحديد سبب الفشل من الشغل.

03 طريقة المجهر الإلكتروني الماسح للكشف عن أطوار الترسيب الضارة في المواد الفولاذية     

الطور المترسب هو الطور الذي يترسب عندما تنخفض درجة حرارة المحلول الصلب المشبع، أو الطور الذي يترسب عندما يتقادم المحلول الصلب المفرط التشبع الذي تم الحصول عليه بعد معالجة المحلول الصلب، وهي عملية تحويل طور الحالة الصلبة حيث تكون جزيئات الطور الثاني يترسب ويتحلل من المحلول الصلب المفرط التشبع وينوى. تلعب المرحلة المترسبة دورًا مهمًا جدًا في الفولاذ، حيث أن قوتها وصلابتها ولدونتها وخصائص التعب والعديد من الخصائص الفيزيائية والكيميائية المهمة الأخرى لها تأثير مهم. التحكم السليم في مرحلة ترسيب الفولاذ يمكن أن يعزز خصائص الفولاذ، إذا كانت درجة حرارة المعالجة الحرارية والتحكم في الوقت غير مناسبين، فسوف يتسبب ذلك في انخفاض حاد في خصائص المعدن، مثل الكسر الهش، والتآكل السهل، وما إلى ذلك.

الشكل 4: مخطط التشتت الخلفي لمرحلة ترسيب الحديد النقي SEM3100 بواسطة المجهر الإلكتروني للمسح CIQTEK

عند جهد تسارع معين، حيث أن إنتاج الإلكترونات المرتدة يتزايد بشكل أساسي مع زيادة العدد الذري للعينة، يمكن استخدام الإلكترونات المرتدة كإشارة تصوير لعرض صورة بطانة العدد الذري، وتوزيع المكونات الكيميائية على يمكن ملاحظة سطح العينة ضمن نطاق معين. العدد الذري لـ Pb هو 82، ويكون إنتاج الإلكترون المنتثر المرتد لـ Pb مرتفعًا في وضع التشتت الخلفي، لذلك يكون Pb أبيض ساطعًا في الصورة.

مخاطر الرصاص في المواد الفولاذية هي كما يلي، لأن الرصاص والحديد لا يولدان محلولًا صلبًا، والذي يصعب إزالته في عملية الصهر، كما أنه من السهل استقطابه عند حدود الحبوب وتكوين بلورات مشتركة ذات نقطة انصهار منخفضة لإضعافها. رابطة حدود الحبوب، بحيث يتم تقليل أداء المعالجة الساخنة للمادة. المصادر المحتملة لترسيب الرصاص في الحديد النقي الكهروتقني هي الرصاص الموجود في المواد الخام لصناعة الحديد وتتبع الرصاص الموجود في عناصر صناعة السبائك المضافة أثناء الصهر. وإذا تم استخدامه لأغراض خاصة، فلا يتم استبعاد إمكانية إضافته أثناء الصهر، وذلك بهدف تحسين خصائص القطع والمعالجة.

04 الاستنتاج     

المسح المجهري الإلكتروني كأداة تحليل مجهري، يمكن أن يكون مجموعة متنوعة من أشكال مراقبة المواد المعدنية، ويمكن أن يكون تحليلا مفصلا لأنواع مختلفة من العيوب، وفشل المواد المعدنية لأسباب تحليل شامل لتحديد المواقع. مع التحسين المستمر وتعزيز وظائف SEM، يمكن لـ SEM إنجاز المزيد والمزيد من العمل، ولا يوفر أساسًا موثوقًا لدراسة تحسين خصائص المواد فحسب، بل يلعب أيضًا دورًا مهمًا في التحكم في عمليات الإنتاج وتصميم المنتجات الجديدة والبحث. .