تحليل فشل المواد المعدنية - تطبيقات المجهر الإلكتروني الماسح (SEM).

المواد المعدنية هي مواد ذات خصائص مثل اللمعان، والليونة، وسهولة التوصيل، وانتقال الحرارة. يتم تصنيفها بشكل عام إلى نوعين: المعادن الحديدية وغير الحديدية. وتشمل المعادن الحديدية الحديد والكروم والمنغنيز وغيرها. [1]. ومن بينها، يعتبر الفولاذ المادة الهيكلية الأساسية ويسمى "الهيكل العظمي للصناعة". حتى الآن، لا يزال الفولاذ يهيمن على تركيبة المواد الخام الصناعية. تستخدم العديد من شركات الصلب ومعاهد الأبحاث المزايا الفريدة لـ SEM لحل مشاكل الإنتاج والمساعدة في تطوير منتجات جديدة. أصبح SEM مع الملحقات المقابلة أداة مفضلة لصناعة الصلب والمعادن لإجراء البحوث وتحديد المشاكل في عملية الإنتاج. مع زيادة دقة SEM والأتمتة، أصبح تطبيق SEM في تحليل المواد وتوصيفها أكثر انتشارًا  [2].

تحليل الفشل هو نظام جديد تم نشره من قبل المؤسسات العسكرية للبحث في العلماء والمؤسسات في السنوات الأخيرة [3]. يمكن أن يؤدي فشل الأجزاء المعدنية إلى تدهور أداء قطعة العمل في الحالات البسيطة وحتى حوادث سلامة الحياة في الحالات الكبرى. يعد تحديد أسباب الفشل من خلال تحليل الفشل واقتراح تدابير التحسين الفعالة خطوة أساسية لضمان التشغيل الآمن للمشروع. ولذلك، فإن الاستفادة الكاملة من مزايا المجهر الإلكتروني الماسح سوف تقدم مساهمة كبيرة في تقدم صناعة المواد المعدنية.

01 مراقبة SEM لكسر الشد للمعادن

يحدث الكسر دائمًا عند أضعف نقطة في الأنسجة المعدنية ويسجل الكثير من المعلومات القيمة حول عملية الكسر بأكملها. ولذلك تم التأكيد 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 كان سيتم دراسة آلية كسر المادة بعمق، فعادةً ما يتم تحليل تكوين المناطق الكلية على سطح الكسر. أصبح تحليل الكسور الآن أداة مهمة لتحليل فشل المكونات المعدنية.

الشكل 1. CIQTEK SEM3100 مورفولوجيا كسر الشد

وفقًا لطبيعة الكسر، يمكن تقسيم الكسر تقريبًا إلى  كسر هش وكسر مطاط . عادة ما يكون سطح الكسر للكسر الهش عموديًا على إجهاد الشد، ومن وجهة النظر العيانية، يتكون الكسر الهش من سطح لامع بلوري لامع؛ في حين أن الكسر المرن عادةً ما يكون به نتوء صغير على الكسر ويكون ليفيًا.

الأساس التجريبي لتحليل الكسور هو الملاحظة المباشرة والتحليل للتشكل العياني لسطح الكسر وخصائص البنية المجهرية. في كثير من الحالات، يمكن تحديد طبيعة الكسر وموقع البدء ومسار امتداد الكسر باستخدام الملاحظات العيانية. ومع ذلك، فإن المراقبة المجهرية ضرورية لإجراء دراسة تفصيلية بالقرب من مصدر الكسر وتحليل سبب الكسر وآلية الكسر. ولأن الكسر عبارة عن سطح غير مستوٍ وخشن، فإن المجهر المستخدم لمراقبة الكسر يجب أن يتمتع بأقصى عمق للمجال، وأوسع نطاق تكبير ممكن، ودقة عالية. كل هذه الاحتياجات أدت إلى تطبيق SEM على نطاق واسع في مجال تحليل الكسور.  ويبين الشكل 1 ثلاث عينات من كسر الشد عن طريق الملاحظة العيانية ذات التكبير المنخفض ومراقبة البنية المجهرية العالية التكبير: عينة الكسر تشبه زهرة النهر (الشكل أ)، وهي ميزة كسر هشة نموذجية؛ عينة B العيانية لا مورفولوجيا ليفية (الشكل B)، المجهرية لا يظهر عش صعبة، وهو كسر هش؛ تتكون العينة C من الكسر العياني من جوانب لامعة. ولذلك فإن كسور الشد المذكورة أعلاه كلها كسور هشة.

02 مراقبة SEM للشوائب في الفولاذ

يعتمد أداء الفولاذ بشكل أساسي على التركيب الكيميائي وتنظيم الفولاذ. توجد الشوائب في الفولاذ بشكل رئيسي في شكل مركبات غير معدنية، مثل الأكاسيد والكبريتيدات والنيتريدات وما إلى ذلك، والتي تسبب التنظيم غير المتساوي للصلب. علاوة على ذلك، فإن هندستها وتركيبها الكيميائي والعوامل الفيزيائية لا تقلل من قابلية التشغيل البارد والساخن للفولاذ فحسب، بل تؤثر أيضًا على الخواص الميكانيكية للمادة [4]. إن تكوين وعدد وشكل وتوزيع الشوائب غير المعدنية لها تأثير كبير على القوة واللدونة والمتانة ومقاومة التعب ومقاومة التآكل وغيرها من خصائص الفولاذ. ولذلك، فإن الشوائب غير المعدنية هي عناصر لا غنى عنها في فحص المعادن للمواد الفولاذية. من خلال دراسة سلوك الشوائب في الفولاذ، واستخدام التكنولوجيا المقابلة لمنع تكوين المزيد من الشوائب في الفولاذ وتقليل الشوائب الموجودة بالفعل في الفولاذ، فإن ذلك له أهمية كبيرة لإنتاج الفولاذ عالي النقاء وتحسين أداء الفولاذ .

الشكل 2. مورفولوجيا الإدماج

الشكل 3. تحليل سطح طيف الطاقة لشوائب مركب TiN-Al2O3

في حالة تحليل الشوائب المبينة في الشكل 2 والشكل 3، تمت ملاحظة الشوائب عن طريق المجهر الإلكتروني الماسح، وتم تحليل الشوائب الموجودة في الحديد النقي الكهربائي بواسطة التحليل الطيفي للطاقة، والذي أظهر أن الشوائب الموجودة في الحديد النقي كانت أكسيد والنيتريد والادراج المركبة.

يتمتع برنامج التحليل الذي يأتي مع SEM3100 بوظائف قوية للقياس مباشرة على العينة أو مباشرة على الصورة لأي مسافة أو طول.  على سبيل المثال، من خلال قياس طول شوائب الحديد النقي الكهربائية في الحالة الموضحة أعلاه، يمكن ملاحظة أن متوسط ​​حجم شوائب Al2O3 يبلغ حوالي 3 ميكرومتر، وأحجام TiN وAlN ضمن 5 ميكرومتر، وحجم الطبقة المركبة الادراج لا تتجاوز 8 ميكرومتر. تلعب هذه الشوائب الصغيرة دورًا ربطًا للمجالات المغناطيسية داخل الحديد النقي الكهربائي، مما سيؤثر على الخصائص المغناطيسية النهائية.

قد يكون مصدر شوائب الأكسيد Al2O3 هو منتجات إزالة الأكسدة لصناعة الفولاذ والأكاسيد الثانوية لعملية الصب المستمر، والتشكل في مادة الفولاذ كروي في الغالب، وجزء صغير ذو شكل غير منتظم. يرتبط شكل الشوائب بمكوناتها وسلسلة من التفاعلات الفيزيائية والكيميائية التي تحدث في الفولاذ. عند ملاحظة الادراج، لا ينبغي لنا أن نلاحظ فقط شكل وتكوين الادراج ولكن أيضًا الانتباه إلى حجم الادراج وتوزيعها، الأمر الذي يتطلب إحصاءات في العديد من الجوانب للحكم على مستوى الادراج بشكل شامل. يتمتع SEM بمزايا في مراقبة وتحليل الادراج الفردية، مثل الادراج التي تسبب تشقق قطع العمل لتحليل الفشل. غالبًا ما يتم العثور على جزيئات كبيرة من الشوائب في مصدر التشقق، ومن المهم دراسة حجم الشوائب وتكوينها وكميتها وشكلها. يمكن استخدام التحليل لتحديد سبب فشل قطعة العمل.

03 SEM للكشف عن مراحل الترسيب الضارة في الفولاذ

الطور المترسب هو الطور المترسب عندما تنخفض درجة حرارة المحلول الصلب المشبع، أو الطور المترسب أثناء تعتيق المحلول الصلب المفرط التشبع الذي تم الحصول عليه بعد معالجة المحلول الصلب. عملية الشيخوخة النسبية هي عملية تغيير مرحلة الحالة الصلبة، وهي جزيئات المرحلة الثانية من الخراب المحلول الصلب المفرط التشبع وعملية نمو النواة. 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 المعقول في مرحلة ترسيب الفولاذ يمكن أن يعزز خصائص الفولاذ. إذا كانت درجة حرارة المعالجة الحرارية والتحكم في الوقت غير مناسبين، فسوف يؤدي ذلك إلى انخفاض حاد في خصائص المعدن، مثل الكسر الهش والتآكل السهل وما إلى ذلك.

 الشكل 4. CIQTEK SEM3100 مخطط التشتت الخلفي لمرحلة هطول الحديد النقي كهربائيًا

تحت جهد تسارع معين، حيث أن إنتاج الإلكترونات المتناثرة بشكل أساسي ينمو 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 الإلكترونات المرتدة Pb مرتفعًا في وضع التشتت الخلفي، لذلك يظهر Pb باللون الأبيض الساطع في الصورة.

تتمثل مخاطر الرصاص في مواد الحديد والصلب فيما يلي لأن الرصاص والحديد لا يولدان محلولًا صلبًا يصعب إزالته في عملية الصهر، كما أنه من السهل استقطابه عند حدود الحبوب، مما يشكل بلورات سهلة الانصهار منخفضة لإضعاف الترابط الحدودي للحبوب، بحيث يتم تقليل أداء المعالجة الساخنة للمادة. المصادر المحتملة لترسيب الرصاص في الحديد النقي الكهروتقني هي الرصاص الموجود في المواد الخام لصناعة الحديد والرصاص النزر الموجود في عناصر صناعة السبائك المضافة أثناء الصهر. إذا تم استخدامه لأغراض خاصة، فلا يتم استبعاد إمكانية الإضافة إلى عملية الصهر، والغرض من ذلك هو تحسين خصائص القطع والتصنيع.

04 الاستنتاجات

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، أصبح SEM قادرًا على أداء المزيد والمزيد من المهام. فهو لا يوفر أساسًا موثوقًا للبحث لتحسين خصائص المواد فحسب، بل يلعب أيضًا دورًا مهمًا في التحكم في عملية الإنتاج وتصميم المنتجات الجديدة والبحث.

الشكل 5. سيقتيك SEM3200

مراجع

[1] تشانغ يونتشوان. المشاكل الشائعة وتدابير الحل لاختبار المواد المعدنية [J]. المستخدم الرقمي، 2018، 24(052):67. 

[2] قوه ليبو، لي بينغ، وو تشيانغ، وآخرون. تطبيق المجهر الإلكتروني الماسح وتحليل طيف الطاقة في تعدين الصلب [J]. الاختبارات البدنية،2018،36(1):30-36. 

[3] تشين نانبينغ، قو شورين، شين وانسي، وآخرون. تحليل فشل الأجزاء الميكانيكية [M]. بكين: مطبعة جامعة تسينغهوا، 2008،15-17. 

[4] تشنغ شياو فانغ، هو يو. استكشاف طرق تحليل الادراج في الصلب[J]. المنتجات المعدنية، 2006، 032(004):52-54.