Керамография - Ceramography

Керамография - это искусство и наука приготовления, исследования и оценки микроструктур керамики . Керамографию можно рассматривать как металлографию керамики. Микроструктура уровень структуры приблизительно от 0,1 до 100 мкм , между минимальной длиной волной от видимого света и пределом разрешения невооруженного глаза. Микроструктура включает большинство зерен, вторичных фаз, границ зерен , пор, микротрещин и микровыступов твердости. На большинство объемных механических, оптических, тепловых, электрических и магнитных свойств в значительной степени влияет микроструктура. Метод изготовления и условия процесса обычно указываются микроструктурой. Основная причина многих повреждений керамики очевидна в микроструктуре. Керамография является частью более широкой области материаловедения, которая включает в себя все микроскопические методы анализа материалов, такие как металлография, петрография и пластография. Керамография обычно предназначена для высококачественной керамики для промышленного применения, такой как 85–99,9% глинозема (Al 2 O 3 ) на рис. 1, диоксида циркония (ZrO 2 ), карбида кремния (SiC), нитрида кремния (Si 3 N 4). ) и композитов с керамической матрицей . Он редко используется на белой керамике, такой как сантехника, настенная плитка и посуда.

История

Керамография развивалась вместе с другими отраслями материаловедения и керамической инженерии . Алоис де Видманштеттен из Австрии протравил метеорит в 1808 году, чтобы выявить полосы проэвтектоидного феррита, которые росли на границах предшествующих аустенитных зерен. Геолог Генри Клифтон Сорби , «отец металлографии», применил петрографические методы в сталелитейной промышленности в 1860-х годах в Шеффилде, Англия. Французский геолог Огюст Мишель-Леви разработал диаграмму, которая коррелировала оптические свойства минералов с их передаваемым цветом и толщиной в 1880-х годах. Шведский металлург Дж. А. Бринелл изобрел первую количественную шкалу твердости в 1900 году. Смит и Сандленд разработали первый тест на твердость с помощью микровыступов на предприятии Vickers Ltd. в Лондоне в 1922 году. Швейцарский микроскопист А. И. Бюлер основал первый производитель металлографического оборудования недалеко от Чикаго в 1936 году. Фредерик Кнуп и его коллеги из Национального бюро стандартов разработали в 1939 году менее проникающий (чем по Виккерсу) тест на микровпадение. Компания Struers A / S из Копенгагена представила электролитический полировщик для металлографии в 1943 году. Джордж Кель из Колумбийского университета написал книгу, которая считалась библией материаловедения до 1980-х гг. Кель стал соучредителем группы в Комиссии по атомной энергии, которая в 1967 году стала Международным металлографическим обществом .

Подготовка керамографических образцов

Подготовка керамических образцов к микроструктурному анализу состоит из пяти основных этапов: распиловки , заливки, шлифовки , полировки и травления . Инструменты и расходные материалы для керамографической подготовки доступны по всему миру у поставщиков металлографического оборудования и компаний- поставщиков лабораторного оборудования.

Распиловка

Большинство керамических материалов чрезвычайно твердые, и их необходимо распиливать с помощью дискового ножа с алмазными частицами. Обычно подходит металлографическая или гранильная пила, оснащенная алмазным диском с низкой плотностью . Лезвие необходимо охлаждать непрерывной струей жидкости.

Встраивание

Чтобы облегчить дальнейшую подготовку, распиленный образец обычно заделывают (или устанавливают, или инкапсулируют) в пластиковый диск диаметром 25, 30 или 35 мм. Термореактивная твердая смола , активированное нагреванием и сжатием , например , с минеральным наполнителем эпоксидной смолой , лучше всего подходит для большинства применений. Литая (жидкая) смола, такая как ненаполненная эпоксидная смола, акрил или полиэфир, может использоваться для пористой огнеупорной керамики или микроэлектронных устройств. Литые смолы также доступны с флуоресцентными красителями, которые помогают при флуоресцентной микроскопии . Левый и правый образцы на рис. 3 были залиты эпоксидной смолой с минеральным наполнителем. Центральный огнеупор на рис. 3 был залит литым прозрачным акрилом.

Шлифование

Шлифование - это истирание интересующей поверхности абразивными частицами, обычно алмазными, которые прикреплены к бумаге или металлическому диску. Шлифование стирает следы от пил, грубо выравнивает поверхность и удаляет припуск на нужную глубину. Типичная последовательность для измельчения керамики составляет одну минуту на 240- зернистости металлической связке алмазного колеса , вращающейся со скоростью 240 оборотов в минуту и смазанной проточной водой, а затем аналогичной обработке на 400-грит колеса. Образец промывают в ультразвуковой ванне после каждого шага.

Полировка

Полировка - это истирание свободными абразивами, которые взвешены в смазке и могут катиться или скользить между образцом и бумагой. Полировка стирает следы шлифования и делает образец зеркальным. Полировка на голом металлическом валике называется притиркой . Типичная последовательность полировки керамики составляет 5–10 минут каждая на алмазной пасте или суспензии 15, 6 и 1 мкм на безворсовой бумаге, вращающейся со скоростью 240 об / мин. После каждого шага образец снова промывают в ультразвуковой ванне. Три набора образцов на рис. 3 были распилены, утрамбованы, отшлифованы и отполированы.

Травление

Травление выявляет и очерчивает границы зерен и другие микроструктурные особенности, которые не видны на отполированной поверхности. Два наиболее распространенных типа травления в керамографии - это избирательная химическая коррозия и термическая обработка, вызывающая облегчение . Например, оксид алюминия можно подвергнуть химическому травлению путем погружения в кипящую концентрированную фосфорную кислоту на 30–60 с или термически травить в печи в течение 20–40 минут при 1500 ° C (2730 ° F) на воздухе. Перед термическим травлением необходимо удалить пластиковую оболочку. Оксид алюминия на рис. 1 подвергался термическому травлению.

Врезанные, полированные керамографические срезы.

В качестве альтернативы некубическая керамика может быть приготовлена ​​в виде тонких шлифов , также известных как петрография , для исследования с помощью микроскопии в поляризованном проходящем свете. В этом методе образец распиливают до толщины ~ 1 мм, приклеивают к предметному стеклу микроскопа и шлифуют или распиливают (например, с помощью микротома ) до толщины ( x ), приближающейся к 30 мкм. На открытую поверхность наклеивается покровное стекло. Клеи, такие как эпоксидная смола или канадский бальзам , должны иметь примерно такой же показатель преломления (η ≈ 1,54), что и стекло. Большинство керамических материалов имеют очень малый коэффициент поглощения (α ≈ 0,5 см  -1 для оксида алюминия на рис. 2) в соответствии с приведенным ниже законом Бера – Ламберта , и их можно рассматривать в проходящем свете. Кубическая керамика, например оксид циркония и шпинель , стабилизированный оксидом иттрия , имеют одинаковый показатель преломления во всех кристаллографических направлениях и поэтому выглядят черными, когда поляризатор микроскопа смещен по фазе на 90 ° с его анализатором .

(Уравнение Бера – Ламберта)

Керамографические образцы в большинстве случаев являются электрическими изоляторами и должны быть покрыты проводящим слоем металла или углерода толщиной ~ 10 нм для электронной микроскопии после полировки и травления. Золото или сплав Au-Pd из устройства для нанесения покрытия распылением или испарительного покрытия также улучшает отражение видимого света от полированной поверхности под микроскопом по формуле Френеля, приведенной ниже. Чистый оксид алюминия (η ≈ 1,77, k ≈ 10  −6 ) имеет незначительный коэффициент экстинкции и отражает только 8% падающего света от микроскопа, как на рис. 1. Покрытие золотом ( η ≈ 0,82, k ≈ 1,59 @ λ = 500 нм) оксид алюминия отражает 44% в воздухе, 39% в иммерсионном масле .

(Уравнение Френеля)

Керамографический анализ

Керамические микроструктуры чаще всего анализируют с помощью микроскопии в отраженном видимом свете в светлом поле . Darkfield используется в ограниченных случаях, например, для выявления трещин. Поляризованный проходящий свет используется с тонкими срезами, где контраст между зернами возникает из-за двойного лучепреломления . Очень тонкие микроструктур может потребоваться более высокое увеличение и разрешение на виде сканирующего электронного микроскопа (SEM) или конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (CLSM). Катодолюминесценция микроскоп (CLM) является полезным для различения фаз огнеупоров. Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) и сканирования акустический микроскоп (СЭМ) имеют специальные приложения в ceramography.

Керамография часто выполняется качественно для сравнения микроструктуры компонента со стандартом для контроля качества или анализа отказов . Три общих количественных анализа микроструктуры - это размер зерна, содержание второй фазы и пористость . Микроструктуры измеряются в соответствии с принципами стереологии , в которых трехмерные объекты оцениваются в 2-D проекциях или поперечных сечениях. Микроструктуры с неоднородными размерами зерен, при этом некоторые зерна становятся очень большими, встречаются в различных керамических системах, и это явление известно как аномальный рост зерен или AGG. Возникновение AGG имеет положительные или отрицательные последствия для механических и химических свойств керамики, и его идентификация часто является целью керамографического анализа.

Размер зерен можно измерить методами линейной фракции или площади-доли согласно ASTM E112. В методах дробления линий статистический размер зерна вычисляется из числа зерен или границ зерен, пересекающих линию известной длины или окружность известной длины. В методе доли площади размер зерна рассчитывается по количеству зерен внутри известной площади. В каждом случае на измерение влияют вторичные фазы, пористость, предпочтительная ориентация , экспоненциальное распределение размеров и неравноосные зерна. Анализ изображения может измерять факторы формы отдельных зерен по ASTM E1382.

Содержание второй фазы и пористость измеряются аналогичным образом в микроструктуре, такой как ASTM E562. Процедура E562 - это метод точечной фракции, основанный на стереологическом принципе: точечная доля = объемная доля, т. Е. P p = V v . Содержание второй фазы в керамике, такой как нитевидные кристаллы карбида в оксидной матрице, обычно выражается в виде массовой доли. Объемные доли можно преобразовать в массовые, если известна плотность каждой фазы. Анализ изображений позволяет измерять пористость, распределение пор по размерам и объемные доли вторичных фаз по ASTM E1245. Измерения пористости не требуют травления. Многофазные микроструктуры не требуют травления, если контраст между фазами достаточный, как это обычно бывает.

Размер зерен, пористость и содержание второй фазы коррелировали с керамическими свойствами, такими как механическая прочность σ, с помощью уравнения Холла – Петча . Твердость , ударная вязкость , диэлектрическая проницаемость и многие другие свойства зависят от микроструктуры.

Твердость и ударная вязкость на микровыступах

Вдавливание Кнупа (P = 1 кг) в оксиде алюминия 99,5%
Отступ ударной вязкости (P = 10 кг) в 96% оксиде алюминия

Твердость материала можно измерить разными способами. Тест твердости по Кнупу, метод определения твердости по микровыступам, является наиболее воспроизводимым для плотной керамики. Испытание на твердость по Виккерсу и поверхностные шкалы Роквелла (например, 45N) также могут быть использованы, но , как правило, вызывают больше повреждений поверхности , чем Кнопа. Тест Бринелля подходит для пластичных металлов, но не для керамики. В испытании Кнупа алмазный индентор в форме вытянутой пирамиды вдавливается в полированную (но не протравленную) поверхность под заданной нагрузкой, обычно 500 или 1000 г. Нагрузка удерживается в течение некоторого времени, скажем 10 с, и индентор втягивается. Длинная диагональ вдавливания ( d , мкм , на рис. 4) измеряется под микроскопом, а твердость по Кнупу (HK) рассчитывается из нагрузки (P, g ) и квадрата длины диагонали в уравнениях ниже. Константы учитывают площадь проекции индентора и коэффициенты пересчета единиц. Большинство оксидная керамика имеет твердость по Кнупу в диапазоне 1000-1500 кг F / мм 2 (10 - 15 G Па ), и многие карбиды более 2000 (20 ГПа). Метод указан в ASTM C849, C1326 и E384. Твердость Microindention также называют микро твердость вдавливания или просто микротвердость. Твердость очень мелких частиц и тонких пленок керамики, порядка 100 нм, может быть измерена методами наноиндентирования с использованием индентора Берковича .

(кг е / мм 2 ) и (ГП)

Прочность керамики можно определить с помощью теста Виккерса при нагрузке 10-20 кг. Вязкость - это способность материала противостоять распространению трещин . Был проведен ряд расчетов на основе нагрузки (P), модуля упругости (E), твердости при микровдавливании (H), длины трещины ( c на рис. 5) и прочности на изгиб (σ). Прутки с модулем разрыва (MOR) с прямоугольным поперечным сечением имеют отступы в трех местах на полированной поверхности. Стержни нагружают по 4-точечной гибке с полированной зубчатой ​​поверхностью при растяжении до разрушения. Перелом обычно возникает на одном из выступов. Длины трещин измеряют под микроскопом. Прочность большинства керамических материалов составляет 2–4 МПа м , но для закаленного диоксида циркония - до 13, а у цементированных карбидов - часто более 20. Методы определения ударной вязкости в последнее время были дискредитированы и заменяются более строгими методами, которые Измерьте рост трещины в балке с надрезом при изгибе .

начальная длина трещины
прочность вдавливания при изгибе

Рекомендации

Дополнительная литература и внешние ссылки

  • Металлографическая подготовка керамических и металлокерамических материалов , Leco Met-Tips № 19 , 2008 г.
  • Подготовка образцов керамического материала , Buehler Ltd. , 1990.
  • Структура , Том 33, Struers A / S , 1998 г., стр. 3–20.
  • Руководство по металогам Struers
  • С. Бинковски, Р. Пол и М. Войдт, «Сравнение методов подготовки с использованием микроструктурных изображений керамических материалов», Structure , том 39, 2002, стр. 8–19.
  • RE Chinn, Керамография , ASM International и Американское керамическое общество , 2002, ISBN   0-87170-770-5 .
  • DJ Clinton, Руководство по полировке и травлению технической и инженерной керамики , Институт керамики, 1987.
  • Цифровая библиотека керамических микроструктур , Дейтонский университет, 2003 г.
  • Г. Эльсснер, Х. Ховен, Г. Кисслер и П. Веллнер, переведенный Р. Вертом, Керамика и керамические композиты: подготовка материалов , Elsevier Science Inc., 1999, ISBN   978-0-444-10030-6 .
  • Р. М. Фулрат и Дж. А. Паск, ред., Керамические микроструктуры: их анализ, значение и производство , издательство Robert E. Krieger Publishing Co., 1968, ISBN   0-88275-262-6 .
  • K. Geels в сотрудничестве с DB Fowler, WU Kopp & M. Rückert, Подготовка металлографических и материаловографических образцов, световая микроскопия, анализ изображений и проверка твердости , ASTM International, 2007, ISBN   978-0-8031-4265-7 .
  • Х. Инсли и В.Д. Фрешет, Микроскопия керамики и цемента , Academic Press Inc., 1955.
  • У. Ли и У. М. Рейнфорт, Керамические микроструктуры: контроль свойств путем обработки , Chapman & Hall, 1994.
  • IJ McColm, Ceramic Hardness , Plenum Press, 2000, ISBN   0-306-43287-0 .
  • Центр микрофотографии , ASM International, 2005.
  • Х. Мёртель, «Микроструктурный анализ», Справочник по инженерным материалам, Том 4: Керамика и стекло , ASM International, 1991, стр. 570–579, ISBN   0-87170-282-7 .
  • Г. Петцов, Металлографическое травление, 2-е издание , ASM International, 1999, ISBN   978-0-87170-633-1 .
  • Дж. Д. Куинн, «Испытание керамики на твердость при вдавливании», Справочник ASM, Том 8: Механические испытания и оценка , ASM International, 2000 г., стр. 244–251, ISBN   0-87170-389-0 .
  • AT Santhanam, "Металлография цементированных карбидов", Справочник ASM Том 9: Металлография и микроструктуры , ASM International, 2004 г., стр. 1057–1066, ISBN   0-87170-706-3 .
  • У. Таффнер, В. Карле и У. Шефер, «Подготовка и микроструктурный анализ высокоэффективной керамики», Справочник ASM Том 9: Металлография и микроструктуры , ASM International, 2004, стр. 1057–1066, ISBN   0-87170-706- 3 .
  • Д.К. Циппериан, Справочник по металлографии , PACE Technologies, 2011.