Spiegazione di metallografia, materialografia e analisi metallurgica
Che cos'è la metallografia e perché è importante?
In questo articolo rispondiamo alle vostre domande chiave su questo affascinante campo. Scoprirai le differenze tra metallografia, materialografia e analisi metallurgica e perché queste differenze sono importanti nella scelta dei metodi di preparazione giusti.
Esploreremo la storia, le applicazioni e le tecniche analitiche utilizzate in tutte e tre le discipline, fornendoti una comprensione più chiara di come ciascun approccio supporti una valutazione accurata e affidabile dei materiali. Leggi l'articolo completo per saperne di più su come la Metallografia, la Materialografia e l'Analisi metallurgica contribuiscono a tutto, dal controllo qualità alla ricerca e all'innovazione.
Cos'è la metallografia?
In breve, la metallografia può essere definita come la scienza e l'arte di studiare la microstruttura di diversi metalli e leghe metalliche. Nella metallografia, la superficie di un campione di metallo viene preparata con vari metodi, tra cui taglio, inglobamento, lucidatura e attacco, per rivelare la microstruttura del metallo. Questa microstruttura viene quindi analizzata, spesso utilizzando la microscopia ottica o elettronica, per identificare le proprietà microscopiche del metallo. Ciò consente al metallografo di trarre conclusioni sulle proprietà macroscopiche del materiale.
La materialografia è diversa dalla metallografia? Le tecniche utilizzate nella metallografia possono essere applicate a una gamma di materiali, tra cui ceramiche e materiali polimerici, da qui i termini ceramografia e plastografia. Collettivamente, la metallografia, la ceramografia e la plastografia sono note come materialografia. Sebbene la materialografia sia il termine generale, il termine metallografia è più ampiamente utilizzato.
Le tecniche metallografiche sono più comunemente applicate a:
- Metalli e leghe metalliche, tra cui titanio, acciaio inossidabile, ferro, ottone e altri tipi di metalli
- Ceramica, inclusi i rivestimenti in ceramica
- Polimeri, inclusi polimeri naturali e sintetici
- Rivestimenti, inclusi rivestimenti a spray termico, rivestimenti nitrurati e rivestimenti zincati a caldo
- Metallurgia delle polveri
- Microelettronica
- Elementi di fissaggio, inclusi viti, bulloni e perni
- Produzione additiva o stampa 3D
Quali sono le principali applicazioni della metallografia?
In un metallo o altro materiale, la microstruttura determina molte importanti proprietà macroscopiche, tra cui resistenza alla trazione, duttilità, conduzione termica e resistenza alla corrosione. La comprensione della microstruttura del materiale consente quindi al metallografo di determinare meglio le sue prestazioni in diverse situazioni. Di conseguenza, la Metallografia è comunemente utilizzata in una varietà di segmenti industriali, tra cui quello automobilistico, aerospaziale, elettronico, manifatturiero e di processo dei metalli, nonché in situazioni accademiche.
Le applicazioni chiave della Metallografia includono:
- Sviluppo, analisi e collaudo di nuove leghe, materiali e prodotti
- Sviluppo di nuove tecniche di produzione
- Garanzia di qualità dei componenti e analisi dei guasti dei componenti prodotti
Quando è stata inventata la metallografia?
La prima metallurgia è stata datata a circa 7000 a.C., quando gli esseri umani scoprirono per la prima volta che il fuoco poteva aiutare a modellare il metallo. I primi metallurgisti conoscevano sette metalli: Potevano trovare oro, rame e argento nel terreno e creavano piombo, ferro, stagno e mercurio attraverso la fusione. Nonostante ciò, la metallografia non è stata sviluppata come area di studio fino al 1800, quando lo scienziato britannico Henry Clifton Sorby ha iniziato a esplorare il ferro e l'acciaio fabbricati. Il suo lavoro ha dimostrato il collegamento tra la microstruttura di un metallo e le sue proprietà macroscopiche.
Questo può sembrare ovvio ora, ma all'epoca era un pensiero rivoluzionario. Come ha affermato Henry Clifton Sorby verso la fine della sua vita: "Nei primi giorni, se si fosse verificato un incidente ferroviario e avessi suggerito all'azienda di prendere una rotaia e farla esaminare al microscopio, sarei stato considerato un uomo da mandare in manicomio."
Ma questo è ciò che stiamo facendo ora..." Da allora, la metallografia si è sviluppata rapidamente. La Metallografia moderna deve molto ad aziende come DISA e Struers, che hanno introdotto le prime apparecchiature meccaniche per la Metallografia, tra cui la DISA Electropol e la macchina di prelevigatura Knuth-Rotor. Oggi sono disponibili macchine metallografiche completamente automatizzate, come Xmatic, la prima soluzione al mondo completamente automatizzata di prelevigatura e lucidatura.
Come viene eseguita la preparazione metallografica dei campioni?
Nella metallografia, un campione di materiale viene preparato per renderne visibile la microstruttura. Poiché l'obiettivo dei processi metallografici è rivelare la vera microstruttura del materiale, è essenziale che il processo stesso non danneggi o modifichi in alcun modo la microstruttura. Il processo metallografico specifico varia a seconda del materiale. Il processo richiesto su un componente automobilistico in acciaio inossidabile, ad esempio, sarà necessariamente diverso dal processo richiesto per un bullone in titanio, un filo di rame, una saldatura di ferro o un microchip. Tuttavia, la maggior parte dei processi metallografici segue le stesse fasi generali.
"Taglio metallografico Normalmente il processo metallografico inizia con il taglio metallografico. Il componente viene tagliato utilizzando una macchina da taglio metallografico appositamente progettata e un disco di taglio per rivelare una sezione trasversale del materiale. Su componenti di grandi dimensioni, come gli assi motore in acciaio, il taglio metallografico viene utilizzato anche per creare piccoli campioni di materiale più facili da maneggiare.
Il disco di taglio è scelto per il materiale: le ghise bianche in lega, ad esempio, di solito richiedono un disco di taglio al nitruro di boro cubico; mentre i rami vengono solitamente tagliati utilizzando carburo di silicio duro.
Inglobamento metallografico Una volta tagliati, la maggior parte dei campioni metallografici vengono inglobati in resina calda o fredda utilizzando una pressa inglobatrice. L'inglobamento metallografico aiuta a preservare gli strati all'interno del materiale e protegge i campioni fragili o rivestiti durante la preparazione. Consente inoltre una manipolazione più sicura e comoda di oggetti piccoli, affilati o di forma irregolare.
Esistono due tecniche di inglobamento metallografico: l'inglobamento a caldo (chiamato anche inglobamento a caldo) e l'inglobamento a freddo. Entrambe le tecniche di inglobamento offrono certi vantaggi e il metallografo deciderà quale utilizzare in base alle proprietà del campione, al numero di campioni e alla qualità richiesta.
Prelevigatura e lucidatura metallografica (preparazione meccanica) Nella maggior parte dei casi, la superficie del campione metallografico inglobato viene quindi preparata per l'esame microscopico tramite prelevigatura e lucidatura. Queste due fasi metallografiche sono note collettivamente come preparazione meccanica.
La prelevigatura e lucidatura metallografica viene solitamente eseguita su macchine di prelevigatura e lucidatura appositamente progettate, manualmente o automaticamente. Su queste macchine, il campione viene tenuto contro una mola a rotazione rapida, che esegue la prelevigatura o la lucidatura della superficie per rivelare la microstruttura sottostante. La superficie della ruota viene modificata in base al materiale specifico. I materiali morbidi e duttili, come l'alluminio e le leghe di alluminio, ad esempio, richiedono una superficie di prelevigatura o lucidatura molto diversa dalla ghisa.
Attacco metallografico Molti processi di preparazione metallografica possono arrestarsi dopo la prelevigatura e la lucidatura. Tuttavia, alcuni materiali e applicazioni richiedono un'ulteriore fase del processo metallografico: l'attacco. L'attacco metallografico è un processo chimico in cui la superficie del campione viene trattata con una miscela chimica di mordenzatura per rivelare o migliorare le proprietà ottiche dei limiti di granulazione, delle fasi o delle superfici dei grani all'interno del materiale. L'obiettivo è rendere queste proprietà più visibili durante l'ispezione microscopica.
Oltre all'attacco metallografico, al microscopio possono essere utilizzati speciali filtri ottici per evidenziare ulteriormente il contrasto tra le diverse proprietà microstrutturali del materiale.
Preparazione elettrolitica La prelevigatura e lucidatura meccanica può deformare la superficie del materiale. Pertanto, i metallografi possono preferire utilizzare la preparazione elettrolitica. Tuttavia, ciò è possibile solo su determinati materiali e in determinate applicazioni. Nella preparazione elettrolitica, il campione viene configurato come anodo in un elettrolita adatto. La superficie del materiale viene rimossa mediante dissoluzione controllata, rivelando la microstruttura sottostante. Ciò può essere seguito da un attacco elettrolitico per mettere in evidenza i contrasti nella microstruttura al microscopio.
Come viene analizzato un campione dopo la preparazione metallurgica?
Dopo la preparazione metallurgica, la microstruttura del materiale del campione viene accuratamente ispezionata e analizzata. Le informazioni ottenute da questa analisi consentono al metallografo di trarre conclusioni sulle proprietà del materiale, tra cui resistenza, duttilità e conducibilità.
Verifica metallurgica: Microscopia e macroscopia A seconda dell'applicazione e del materiale, può essere sufficiente ispezionare il campione a occhio nudo (macroscopia). Tuttavia, nella maggior parte dei casi, i metallografi si affidano alla microscopia, che utilizza l'ingrandimento ottico o digitale, per rivelare le caratteristiche dettagliate della microstruttura.
- La microscopia ottica può ingrandire la microstruttura fino a 1.000 volte.
- La microscopia elettronica può ingrandire fino a 500.000 volte ed è utilizzata principalmente per l'analisi dei guasti metallurgici e per scopi educativi.
Che cos'è l'analisi di durezza metallurgica? In molti laboratori metallurgici e metallografici, il test di durezza è un elemento chiave. Aiuta a determinare la durezza precisa di un materiale, fornendo informazioni critiche sulla sua resistenza, resistenza all'usura e duttilità.
Il test prevede la pressione di un penetratore di forma specifica nella superficie del materiale e la misurazione delle dimensioni o della profondità dell'impronta risultante.
Esistono diversi standard di prova di durezza metallografica, tra cui Vickers, Knoop e Brinell. Tutti richiedono durometri specializzati e calibrati per garantire risultati accurati e ripetibili.