ŽELEZARSKI ZBORNIK IZDAJAJO ŽELEZARNE JESENICE, RAVNE, ŠTORE IN METALURŠKI INŠTITUT LETNIK V MAREC 1971 ŠT. 1 Dr. Franc Vodopivec, dipl. inž. Metalurški inštitut DK: 620.186; 62.001.6 ASM/SLA: M 21 c, e, fg; 23 n, p Sodobne metode metalografske preiskave in smeri njihovega razvoja V članku je zgoščen opis najbolj uporabljanih metod za metalografsko preiskavo kovin. Okvirno je opisana uporabnost, slabe strani in perspektive razvoja posameznih metod. UVOD Metode za metalografsko preiskavo kovin so mnogo preveč raznovrstne in prilagojene specifičnim potrebam raziskovalnega dela, da bi jih lahko opisali v tem sestavku. Zato se bomo omejili na splošen pregled in oceno smeri razvoja. Ne bomo opisovali raznih aparatur, ampak analizirali v glavnem področja njihove uporabe. Razdelitev snovi v sestavku je naslednja: makroskopska in mikroskopska preiskava s pripravo obruskov, kvantitativna metalografska fazna analiza, elektronska mikroskopija, preiskava kovin s pomočjo strukturnega rentgena, preiskava kovin s pomočjo elektronske mikrosonde, preiskava prelomov in posebni postopki metalografske preiskave. 1. MAKROSKOPSKA IN MIKROSKOPSKA PREISKAVA 1.1 Namen metalografske preiskave Z metalografsko preiskavo želimo ugotoviti strukturne značilnosti, od katerih so odvisne lastnosti in uporabnost kovine. Med te značilnosti štejemo: a) vrsto strukture; vrsto, velikost in razdelitev strukturnih komponent b) množino, vrsto in razdelitev nekovinskih komponent v strukturi, n. pr. nekovinskih vključkov in karbidov c) makro in mikronapake v kovinah, predvsem znake nekompaktnosti, kot so razpoke, plinski mehurčki in mikro-lunkerji d) neenakomernosti v razdelitvi strukturnih komponent ali elementov, ki so v trdni raztopini, n. pr. izceje karbidov, vključkov in različnih elementov. Metalografsko preiskavo delimo v makroskopsko in v mikroskopsko. Pri prvi si pomagamo s prostim očesom ali lupo, ki zmore do 20 x-ne povečave, pri drugi uporabljamo metalografske mikroskope do povečave približno 2000 X in elektronske mikroskope do povečave 100000 X ali več. Klasične metode metalografske preiskave so usmerjene predvsem v ugotovitev oblike velikosti in razdelitve strukturnih komponent v kovinah, poudarek je torej na kvalitativni analizi. Moderne metode pa omogočajo, da se določi fazna sestava kovin in elementna sestava posameznih komponent mikrostrukture. Bodočnost metalografije je v razvoju metod, ki bi omogočile, da se čim bolj selektivno in zanesljivo loči posamezne mikro-strukturne komponente ter da se določi elementna sestava teh komponent in njihov kvantitativni delež v masi kovine, oziroma da se določi fazna sestava kovin. Elementna sestava ne daje vedno prave slike o kovini in na njeni osnovi ni vedno mogoče tolmačiti lastnosti kovin. Od modernih metod in aparatur zahtevamo, da so enostavne, zanesljive in hitre in da dajo uporabne rezultate. Bodočnost pa imajo take aparature in metode, s katerimi bo mogoče izvršiti hitro in avtomatsko kvantitativne fazne analize. Druga smer razvoja metalografske preiskave je razvoj specialnih metod, namenjenih za preiskavo specifičnih kovin, za analizo specifičnih problemov ali pa za izvedbo preiskav v posebnih pogojih. 1.2 Zgradba in značilnosti modernih metalo-grafskih mikroskopov Optični mikroskop je osnovno orodje za metalografsko preiskavo kovin in bo svoj pomen ohranil tudi v bodočnosti. V uporabi sta dve konstrukciji mikroskopa: stoječa (normalna) in obrnjena. Prva konstrukcija ima mikroskopsko mizico z obruskom pod objektivi, druga pa nad objektivi. Izdelujejo se že tudi kombinirani mikroskopi. Normalni mikroskop je bolj primeren za opazovanje večjih serij obruskov, sicer sta obe vrsti mikroskopa enakovredni. Dobri mikroskopi imajo okularje in objektive, ki omogočajo opazovanje z direktno povečavo od pribl. 40 do 1500 X. Povečave se spreminjajo navadno v stopinjah. V najmodernejših mikroskopih, pa se povečava spreminja zvezno, ne da bi bilo potrebno znova nastavljati ostrino. V uporabi sta v glavnem dve vrsti mikroskopov: majhni enostavni mikroskopi za rutinsko kontrolno delo in večji mikroskopi, ki so namenjeni za raziskovalno delo. Moderni mikroskopi imajo revolver objektive, naprave za fotografiranje na plošče in na film z avtomatsko napravo za osvetljevanje, optiko za opazovanje v svetlem, temnem polju, ter polarizirani svetlobi; imajo dodatek za fazni in interferenčni kontrast ter napravo za merjenje mikrotrdote. Na nekatere mikroskope lahko montiramo posebne pečice, ki omogočajo, da se neposredno opazuje površina kovin segreta na visoke temperature. Nekateri mikroskopi imajo tudi naprave za optično ali televizijsko projekcijo slike na večji zaslon. Ta zaslon se lahko kombinira z avtomatskimi napravami za fazno analizo mikrostrukture. Koristna dodatna naprava je tudi mikroreflek-simeter. Z njim merimo intenziteto odbite mono-hromatske svetlobe z zelo majhnih področij na površini obruska (do nekoliko mikronov v premeru). S primerjavo intenzitete odbite svetlobe določene strukturne komponente z intenziteto odbite svetlobe znanega etalona lahko določimo precej točno sestavo opazovane komponente. Naprava je precej točna in zanesljiva. Posebno je primerna za identifikacijo mineralnih komponent v kovinah, refleksij ske indekse teh komponent poznamo iz mineralogije. Ko bodo eksperimentalno določeni refleksij ski indeksi za različne kovine v čistem in legiranem stanju bo naprava lahko v bolj enostavnih primerih nadomestila mnogo dražjo elektronsko mikrosondo. 1.3 Priprava obruskov za opazovanje na mikroskopu Metode makroskopske preiskave vzorcev ne kažejo posebnega napredka. Za odkrivanje makro-strukture se uporablja klasično globoko jedkanje v mineralnih kislinah, preiskave z različnimi penetranti pa se uporabljajo za odkrivanje napak. Penetranti so razne tekočine, ki imajo majhno površinsko napetost in zato lahko in hitro prodirajo v napake v kovinah npr. razpoke ali mikro-lunkerje in jih tako pokažejo. ta razvoj pospešili: želja pa avtomatizaciji in pospešitvi izdelave obruskov, metalografska preiskava novih gradiv, za katere klasično poliranje ni bilo uporabno ter zahteva po boljši kvaliteti površine obruskov. Kvaliteta površine ročno pripravljenih obruskov običajno ni zadostna za uspešno analizo na modernih pripravah za fazno analizo kovin. V klasičnem postopku priprave obruskov z ročnim brušenjem in poliranjem se mokro brušenje vedno bolj uveljavlja. Metode elektrolitskega poliranja so že toliko izpopolnjene, da jih z uspehom lahko uporabimo za praktično vse kovine. Obstoja celo naprava za elektrolitsko poliranje, ki omogoča, da se med poliranjem površina kovine neposredno opazuje v mikroskopu (Elipovist, Zeiss Jena). Elektrolitsko poliranje v staljenih soleh ni prešlo začetnih preizkusov. Zelo lepe obruske daje poliranje z avtomatično pripravo, ki drži več obruskov naenkrat (slika 1). Elektro-mehanično poliranje (nemško Wischpoliren) je kombinacija mehanskega in elektrolitskega poliranja. Ta metoda poliranja se zelo uveljavlja. Daje lepe površine pri vseh kovinah tudi pri tistih, ki so premehke, da bi jih lahko uspešno mehansko polirali. Lepe rezultate daje ta metoda poliranja pri pripravi obruskov iz visokolegiranih jekel, ki imajo malo ogljika. Naprava se lahko kombinira z mehanično roko, ki drži več obruskov. Uveljavlja se tudi vibracijsko poliranje. Po tem postopku se avtomatsko mehanično brusijo ali polirajo obruski na plošči, ki vibrira. Intenziteto in kvaliteto poliranja se regulira z intenziteto vibracij in s spreminjanjem obtežbe obruskov. Vibracijsko mehanično poliranje se lahko kombinira z elektrolitskim poliranjem. Kovine, katere polirne tekočine poškodujejo, je mogoče polirati na suho na posebno pripravljenih ravnih steklenih ploščah, ki imajo hrapavo površino. Ta postopek je uporaben tudi tedaj, ko hočemo dobiti ravne robove obruskov. Napredek v snoveh za hladno zalivanje obruskov so epoksi smole in aralditi, ki imajo različno trdoto in so prilagojeni za zalivanje obruskov in a) Poliranje obruskov Naprave za pripravo obruskov za mikroskopsko preiskavo so dosegli lep razvoj. Trije činitelji so Slika 1 Naprava za elektromehanično poliranje Relapol z mehanično roko, ki drži vež obruskov med poliranjem. kovin z različno trdoto. Zaradi majhnih razlik v trdoti pri poliranju ne nastaja relief na obrusku in so robovi ostri. b) Jedkanje obruskov Klasična jedkalna sredstva za mikroskopsko jedkanje obruskov, predvsem raztopine mineralnih kislin in soli v vodi, alkoholu ali drugih tekočinah, brez dodatka ali z dodatkom organskih snovi za zmanjšanje površinske napetosti, se še vedno največ uporabljajo. Zahteva po velikem kontrastu med mikrostrukturnimi komponentami, ki edini lahko zagotovi, da bodo naprave za optično avtomatsko fazno analizo dale dobre rezultate, je na tem področju pospešila razvoj. Zelo se širijo jedkala, ki delujejo z usedanjem. Taka jedkala lepo pokažejo heterogenosti v razdelitvi legirnih elementov v kovini npr. makroskopske in mikroskopske izceje legirnih elemntov, ki so raztopljeni v feritu ali v avstenitu. Važen korak naprej je napravilo elektrolitsko jedkanje z uvedbo potenciostatskega jedkanja. To je jedkanje v primerni razstopini pod določenim potencialom, ki omogoča, da se odkrije samo določena faza. Slika 2 nam kaže, kako zelo je selektivno potenciostatsko jedkanje. Z drugimi postopki je težko doseči tak kontrast, težko pa je tudi zagotoviti zanesljivost in enakomernost jedkanja. S polarizirano svetlobo si ne moremo veliko pomagati pri mikroskopski analizi kovin, optična anizotropnost kovinskih faz je namreč premajhna, da bi imeli s polarizirano svetlobo uspeh. Pač pa uspešno uporabljamo to svetlobo pri indetifikaciji vključkov. Optične razlike med posameznimi kovinskimi fazami močno povečamo, če na površino kovin v vakuumu naparimo tanek sloj optično aktivnih snovi, ki imajo velik lomni količnik. Take snovi so npr. kadmijev in cinkov sulfid ter selenid. Ko naparjeno površino opazujemo v polarizirani svetlobi, se nam struktura pokaže na podoben način kot, da je bil obrus jedkan, v nekaterih primerih pa dobimo celo boljšo selektivnost. o* 0 o-y s # • v M* •, v? , ....... Slika 2 X 500 — Potenciostatsko jedkani karbidi (MC temni in M6C svetli) v hitroreznem jeklu. Kovinske površine je mogoče jedkati tudi z ionskim bombardiranjem. Uporabljajo se ioni plemenitih plinov z energijo med 5 in 15 keV. To jedkanje je uporabno za vse kovine. Postopek je drag in zato se ga splača uporabiti le v primerih, ko hočemo odkriti strukturo posebnih kovin ali pa posebne detajle strukture. 2. Kvantitativne metode metalografske analize Velikost kristalnih zrn najlažje in z zadostno natančnostjo določamo s štetjem ali s primerjavo z etaloni, ki so normirani na primer v ZDA in v SZ. Množino nekovinskih vključkov smo po klasičnih postopkih določali na podobne načine, štetje je dajalo dobre rezultate, vendar so trajale predolgo analize mnogih mikroskopskih polj, ki so potrebne, da bi dobili realno povprečje. Sovjetski standardi s področja metalografske preiskave kovin imajo tudi etalone za določitev razmerja med množinami posameznih komponent mikro-strukture npr. med bainitom in martenzitom, med perlitom in feritom itd. Zelo se uporabljajo tudi etaloni za oceno oblike in velikosti grafitnih delcev v različnih litinah. Kvantitativno fazno sestavo lahko točno določimo s planimetriranjem na medlici mikroskopa ali na mikroskopskih posnetkih. Ta postopek je natančen, vendar je zelo dolgotrajen, ker je potrebno planimetrirati veliko število mikroskopskih vidnih polj ali posnetkov, če hočemo dobiti realno poprečje. Zato ne prihaja v poštev za kontrolne in za serijske preiskave. Napredek je omogočila uvedba integracijske mizice na mikroskopu in linijske analize. Z integracijsko mizico je postalo planimetriranje polavtomatsko in hitrejše, zato je bilo mogoče analizirati večje površine in določiti kvantitativni delež posameznih komponent. Vendar tudi ta postopek ni bil dovolj hiter, da bi ga lahko uporabljali pri kontrolnem serijskem delu. Zadnja leta so v razvoju ali že v prodaji popolnoma avtomatizirane naprave za metalografsko fazno analizo. Nekatere od njih delujejo na optični osnovi, druge pa na osnovi rentgenskih žarkov. Tu bomo opisali le eno napravo, ki deluje na optični osnovi, dve drugi napravi bomo opisali v odstavku o elektronski mikrosondi. Prehodna stopnja k razvoju optičnih avtomatskih priprav so bile aparature, ki so s fotocelico registrirale optične intenzitete pri presevanju filmov ali plošč od metalografskih posnetkov. S pomočjo računalnika je mogoče take rezultate obdelati in določiti fazno sestavo. Do sedaj je edino televizijski mikroskop pokazal, da je primeren za serijsko delo. V tem mikroskopu se slika posname s televizijsko kamero in projecira na televizijski zaslon. Tu elektronska naprava zelo hitro izvrši linijsko analizo, vgrajen računalnik pa izračuna fazno sestavo. Na ta način deluje televizijski mikroskop Quantimet izdelek Metals Research Cambridge. Z njim je mogoče določiti kvantitativni ploščinski delež različnih komponent mikrostruk-ture (npr. vključkov, perlita, ferita, bainita, karbidov itd.), če se le analizirane faze dovolj razlikujejo v optičnem kontrastu druga od druge oz. od osnove. Tako je mogoče posamezne izmed njih diskriminitrati. Zato je važno, da je površina obruska tako jedkana, da je kontrast med preiskano fazo in drugimi čim večji. S pomočjo mikroskopa Quantimet avtomatsko določimo naslednje podatke: — število zrn analizirane faze na enoto površine, — faktor oblike teh zrn, — ploščinski delež zrn v procentih, — poprečno velikost zrn v opazovani smeri in — razdelitev zrn v izbrane velikostne razrede. To je praktično vse, kar potrebujemo za popolno fazno analizo. Obruske za nalizo na Quantimet mikroskopu je potrebno pripraviti po enem izmed avtomatskih postopkov. Realne rezultate pa dobimo le s statistično analizo podatkov številnih mikroskopskih vidnih polj. S tem mikroskopom ne moremo določiti kemijske sestave posameznih faz. Po najnovejših podatkih iz strokovnega tiska sklepamo, da se mikroskop Quantimet uspešno uveljavlja. 3. Elektronska mikroskopija Z optičnim mikroskopom lahko v optimalnih pogojih dosegamo ločljivost 0,5 mikrona. Večje povečave povečajo sliko, ne povečajo pa ločljivosti. Elektronski mikroskop uporablja elektrone, ki imajo mnogo manjšo valovno dolžino od vidne svetlobe in zato mnogo boljšo ločljivost od optičnih mikroskopov. Ločljivost dosega pri najboljših elektronskih mikroskopih že 2 X 10-8 cm. S takimi mikroskopi je praktično mogoče opazovati molekularne vrste. Vsi elektronski mikroskopi imajo še naprave za mikrodifrakcijo, s katerimi je mogoče identificirati drobne delce. Klasično tehniko in direktne preiskave kovin s pomočjo odtisov ali replik površine obrusov je močno obogatilo neposredno opazovanje tankih kovinskih lamel, ki so prozorne za elektrone. Z opazovanjem takih lamel je mogoče določiti kristalno strukturo kovine, direktno je mogoče opazovati linijske kristalne napake npr. disloka-cije in napake zloga, opazovati drobne izločke in določiti njihovo obliko, razdelitev, kristalizacijo in epitakcijo z osnovno kovino. Metode preiskave s pomočjo odtisov so dosegle tako popolnost, da je mogoče z replikami obvladati praktično vse probleme, ki se postavljajo pred elektronski mikroskop. Direktne in indirektne ogljene replike počasi izpodrivajo replike iz različnih organskih lakov in polimerov. Posebno uspešna je uporaba ekstrakcijskih ogljenih replik. S temi replikami lahko ekstrahiramo iz kovin praktično vse vrste drobnih izločkov, npr. karbide, nitride (slika 3), okside in intermetalne faze. Zato je mogoče točno določiti njihovo obliko, velikost in razdelitev, Slika 3 X 20.000 — Ogljena replika ekstrahirana v brom etil alkoholu. Aluminijevi nitridi v jeklu z 0,03 Al in 0,007 0/o N. Slika 4 Elektronski uklonski diagram nitridnega zrna na si. 3. s pomočjo elektronskega mikrouklona (slika 4) pa še kristalizacijo in event. sestavo. Napredek predstavljajo dvostopenjske ekstrakcijske replike, katerih prednost je, da ne poškodujejo površine obrusa, zaradi raztapljanja v brom etilalkoholu. Elektronski mikroskop je nepogrešljivo orodje pri preiskavi prelomnih površin (glej točko 5). Moderni elektronski mikroskopi imajo naprave za segrevanje, ohlajanje in plastično deformacijo vzorcev, imajo posebno napravo za opazovanje v magnetnem polju. Kombinirajo se še lahko s scanning pripravo (glej točki 4 in 6). Elektronska mikroskopija je postala standardna raziskovalna in v mnogih primerih tudi kon- trolna metoda v metalografskem laboratoriju. V naši državi je elektronska mikroskopija na metalurškem področju manj razvita, kot bi ustrezalo našemu industrijskemu potencialu. 4. PREISKAVA KOVIN Z ELEKTRONSKIM MIKROANALIZATORJEM Z elektronskim mikroanalizatorjem lahko določimo elementno sestavo posameznih komponent mikrostrukture, katerih velikost ni manjša od 1—2 mikrona. Analiza je zanesljiva, če koncentracija elementa presega približno 0,1 %. S standardnim elektronskim mikroanalizatorjem moremo določiti vse elemente z atomskim številom nad 4. Elektronski mikroanalizator (slika 5) je sestavljen iz močnega vira elektronov (elektronske puške), optičnega mikroskopa za viziranje analiziranega mesta, kristalnih spektrometrov ter naprave za registracijo rentgenskih žarkov. Z elektroni bombardiramo vizirano mesto, tu nastajajo rentgenski žarki, katerih značilna valovna dolžina je odvisna od atomskega števila elementa, žarke ločimo z uklonom v kristalu in izmerimo njihovo intenziteto, ki je proporcionalna v koncentraciji elementa. S pomočjo posebne priprave (angl. scanning, franc. balayage) je mogoče avtomatsko določiti koncentracijsko razdelitev elementov na področju opazovalne površine z velikostjo do 0,5 X 0,5 mm. Pri »scanning« analizi z elektroni otipamo podobno, kot to dela s svetlobo v televizijski snemalni kameri, v zaporednih črtah celo področje, lokalne intenzitete rentgenskih žarkov spremenimo v črno-bele kontrastne točke na katodni cevi s spominskim zaslonom, kjer jih fotografiramo. Tako dobljena črno-bela slika razdelitve različnih elementov na analizirani površini je zelo verna in jasna (slika 6). Obstojajo tudi scanning elektronski mikroskopi. Z njimi je mogoče napraviti posnetke reljefnih prelomnih površin, ki dajejo zelo prostorsko predstavo o obliki preloma. Scanning slike dajejo že semi-kvantitativno fazno sestavo analizirane površine, popolna bi bila mikrosonda, ki bi dala tudi kvantitativno fazno sestavo, če je le razlika v elementni sestavi med posameznimi fazami dovolj velika, kot je v večini primerov. Z analizo scanning slik je mogoče določiti podobne informacije kot s Ouantimet mikroskopom, zraven pa še določiti elementno sestavo posameznih faz. Taka naprava je »števec vključkov« (angl. Inclusions counter), ki je namenjen za določanje Slika 5 Elektronska mikrosonda, izdelek firme Jeolco. Slika 6 Scanning slika, posneta na elektronski mikrosondi. Razdelitev različnih elementov v nekovinskem vključku. nekovinskih vključkov. Deluje na osnovi logične analize vsaj dveh, lahko pa tudi več karakterističnih dolžin rentgenskih žarkov, ki istočasno izhajajo iz istega mesta, ki ga bombardiramo z elektroni, npr. žarke mangana in žvepla za vključke manganovega sulfida, števec kvantitativno razvršča nekovinske vključke v 12 izbranih kategorij oz. 3 tipa vključkov v 4 velikostne razrede. Za analizo enega mikroskopskega vidnega polja na tej napravi je potrebno 3—60 sek., kar je zelo ugodno. Slaba stran naprave je v tem, da deluje zanesljivo le, če se karakteristični element v vključku kvalitativno razlikuje od osnove. Popolnejša naprava je tako imenovani fazni integrator. Osnova za ločenje faze v tej napravi je minimalna intenziteta rentgenskega sevanja določenega elementa. Ta vrednost se elektronsko diskriminira in se pri scanning linijski analizi registrirajo le področja večje intenzitete. Naprava je uporabna, le če so med fazami zadostne razlike v koncentraciji analiziranih elementov, da je elektronska diskriminacija malih koncentracij zanesljiva. Za analizo področja s površino 0,5 X 0,5 mm potrebuje sedaj naprava 10—20 min., kar je preveč. Pričakujejo pa, da se bo naprava še izpopolnila in se bo čas analize zmanjšal največ na 10 sek., kar bo omogočilo njeno splošno uporabo. Zaenkrat sta obe napravi števec vključkov in fazni integrator v preiskusu, čeprav je zadnja naprava tudi že v prodaji. temveč se metode izpopolnjujejo in prilagajajo na specifične probleme, aparature pa se avtomatizirajo. Rentgenske kamere se uporabljajo le za kvalitativne preiskuse in za preiskave po Laue-postopku. Kvantitativne preiskuse s fotometrira-njem filmov, dobljenih v kamerah, je nadomestila uporaba spektrometrov, na katerih z Geigerjevo cevjo ali drugo podobno napravo, ki registrira uklonjene rentgenske žarke, izmerimo intenziteto žarkov, jo registriramo na papir (slika 7) in nato grafično izvrednotimo s planimetriranjem. Zadnja leta pa so že v prodaji naprave, ki planimetriranje izvršijo z avtomatskim integriranjem množine uklonjenih žarkov, kar olajša izračun kvantitativne sestave. Podobne naprave, ki ne izkoriščajo uklonskih žarkov, namreč sekundarno žarčenje, ki nastane zaradi obsorpcije rentgenskih žarkov v snovi (fluorescentni žarki), se lahko uporablja za avtomatizirano elementno analizo kovin. Tudi za analize tekstur so že avtomatske naprave, ki zelo skrajšajo čas potreben za določitev tečajne figure. Poglejmo katere so slabe strani rentgenskih metod za kvantitativno fazno analizo. Te naprave imajo majhno splošno občutljivost. Ta ne dovoljuje, da bi se v kovinah uspešno analizirale faze prisotne v majhnih množinah, ki pa imajo lahko bistven vpliv na lastnosti kovine. Malokdaj lahko določimo množine pod 2 %. Reproduktivnost in zanesljivost je razmeroma slaba tudi v začetnih zaznavnih koncentracijah, zato tudi z zelo skrbnim delom ne dosegamo vedno pričakovanih rezultatov. Rentgenska fazna analiza ne daje navadno nobenih podatkov o obliki in razdelitvi analizirane faze. Nemajhna pomanjkljivost je tudi dejstvo, da trajajo analize precej dolgo, zato je težko dobiti realne rezultate na makroskopsko heterogenih vzorcih. 5. PREISKAVA KOVIN S POMOČJO STRUKTURNEGA RENTGENA Rezultati preiskave kovin s pomočjo rentgenskih žarkov so bili osnova za določitev kristalne strukture vseh trdnih snovi, tudi kovin. Ta panoga metalografske analize je zelo dovršena. Zadnja leta v njenem razvoju ni vsebinsko novih stvari, Slika 7 Registrirni diagram analize trdine CriCj — 15 Ni na strukturnem rentgenu z difraktometrom. Vrhovi ustrezajo značilnim uklonskim črtam za karbid Cr3C2 in trdno raztopino kroma v niklju. Sodobne rentgenske strukturne naprave imajo dodatke za segrevanje, ohlajanje in deformacijo vzorcev. S posebno rentgensko kamero se lahko napravi mikro-radiografska preiskava kovin. Pri tej preiskavi vzorce, ki imajo obliko tankih lamel, pre-svetlujejo z monohromatskimi rentgenskimi žarki. Zaradi razlik v absorpciji med posameznimi fazami in osnovo kovine, dobimo na filmu črno-belo sliko razdelitve posameznih faz v kovini. Z uporabo skrbno filtrirane monohromatske svetlobe in fino-zrnatega filma dobimo posnetke, ki so zadosti kvalitetni, da jih lahko 100 in večkrat povečamo z ločljivostjo, ki ne zaostaja za ločljivostjo mikroskopskih posnetkov pri isti povečavi. Namesto rentgenskih žarkov se za uklonske preiskave lahko uporabijo nevtronski žarki. S pomočjo uklona nevtronov lahko določimo v kovinah teksturo, smerne magnetne lastnosti, termične lastnosti in valenčno razdelitev elektronov v kristalu. Te preiskave so precej komplicirane in zato se uporabljajo le pri specializiranih fizikalnih problemih. 6. PREISKAVA PRELOMNIH POVRŠIN Prelomna površina je metalurgom bogat vir podatkov o kovini. Na njej lahko opazimo različne notranje napake, ugotovimo vrsto obremenitve, ki je prelom povzročila, ugotovimo morfologijo in naravo preloma in druge podatke, ki nam omogočijo, da si ustvarimo sliko o zgradbi, homogenosti in lastnostih kovine. Na oceni prelomne površine so osnovane nekatere klasične metode za preiskavo jekla: npr. ugotavljanje optimalne temperature kaljenja po Shepperdu na osnovi videza preloma, metoda za oceno makroskopskih nehomogenosti v jeklu (UJŽ, Interni standard 660.2-1964). Prelomne površine lahko opazujemo v optičnem mikroskopu le izjemoma, ko so zelo ravne. Optični mikroskop ima namreč že pri sorazmerno majhni povečavi majhno globinsko ostrino. Pač pa vse prelomne površine z uspehom lahko pregledamo v presevnem elektronskem mikroskopu, ki ima kljub veliki povečavi veliko globinsko ostrino ali pa v scanning elektronskem mikroskopu. To metodo preiskave kovin imenujemo mikrofrakto-grafijo. Za opazovanje površin v presevnem mikroskopu lahko uporabimo enostopenjske in dvostopenjske replike. Enostopenjske replike pripravimo tako, da na prelomno površino naparimo ogljik, nato pa ogljeni film ločimo od površine z raztapljanjem v brom-etil alkoholu. Tako pripravljene replike verno predstavljajo prelomno površino. Na njih se ekstrahirajo nekovinski delci, ki so bili na prelomni površini ali pa tik ob njej. Dvostopenjske replike pripravimo tako, da površino preloma vtisnemo v zmehčano organsko maso, npr. rodoid, pustimo strditi in nato prelom odtrgamo. Na odtis preloma v organski masi naparimo ogljeno repliko in jo nato ločimo z raztapljanjem v primernem organskem topilu. Tudi ta metoda daje verne slike prelomne površine, vendar ne dobimo ekstrahira-nih nekovinskih delcev. Pred enostopenjskimi replikami ima prednost, da se ne poškoduje preiskana površina. Mnogokrat dvostopenjski odtis pripravimo samo kot predstopnjo z namenom, da prelomno površino dobro očistimo. Na osnovi mikrofraktografskega videza lahko ocenimo vrsto preloma: žilav (slika 8), krhek (slika 9), trenuten ali trajen; ocenimo potek preloma: intrakristalen ali interkristalen (slika 10) in, kar je zelo važno, lahko presodimo, ali so in kako so nekovinski delci v kovini vplivali na prelom. Mikrofrakto-grafska slika je praktično edini način, da lahko ugotovimo absorpcijsko krhkost kovine. Slika 8 2000 x — Direktna ogljena replika ločena z brom-etil alkoholom. Intrakristalna žilava prelomna površina jekla za cementacijo. Slika 9 2000 x — Direktna ogljena replika ločena z brom-etil alkoholom. Interkristalna krhka prelomna površina jekla za cementacijo. Slika 10 X 2000 — Direktna ogljena replika ekstrahirana z brom-etil alkoholom. Interkristalna prelomna površina nastala zaradi številnih drobnih karbidnih ploščic po kristalnih mejah. Nerjavno jeklo tipa 18/8, žarjeno 48 ur pri 650» C. Mikrofraktografija se kot tehnika preiskave kovin vse bolj uporablja. Obstoja celo mikrofrak-tografski atlas jekla, ki je v veliko pomoč pri tolmačenju mikrofraktografskih slik. V naši državi je kot standardna raziskovalna metoda vpeljana samo na Metalurškem inštitutu v Ljubljani. 7. POSEBNE METODE ZA METALOGRAF- SKO PREISKAVO KOVIN V tem odstavku bomo na kratko opisali 3 metode za preiskavo kovin: autoradiografsko, nepo-rušno metalografijo in direktno opazovanje kovin pri visokih temperaturah. a) Autoradiografska preiskava kovin Ce kovino, v kateri je legiran radioaktivni element, postavimo na fotografsko emulzijo, ustvarijo radio-aktivni žarki na emulziji sliko razdelitve tega elementa. Zato je autoradiografska preiskava zelo primerna za ugotavljanje razdelitve elementov v kovinah, to je za preiskavo makro in mikro izcej. Samo v posebnih primerih, ko imamo opravka z elementi, ki sevajo alfa žarke, je ločljivost nekaj mikronov, v večini primerov pa avtoradiografije lahko povečamo koristno največ 50-krat, kar pomeni, da je ločljivost sorazmerno slaba. Lahko pa jo bistveno povečamo s pripravo zelo tankih vzorcev (lamel) ali pa če na poseben način pripravljamo fotografsko emulzijo. Metoda ima izredno občutljivost. Z autoradiografijo lahko z uspehom ugotovimo razdelitev elementov, ki so v kovini v množini 0,0001 % ali še manj (slika 11). Enako je uspešna, če je analizirani element dodan v aktivni obliki v kovino, ali pa če se že legiran aktivira. Autoradiografijo lahko pripravimo že pri zelo majhni radioaktivnosti kovine, ko ni nobene nevarnosti zaradi sevanja. Zato jih lahko pripravljamo v normalno opremljenih metalografskih laboratorijih. b) Neporušna metalografija Mnogokrat želimo napraviti preiskavo kovin, ne smemo pa predmeta poškodovati, oziroma razrezati, da bi napravili obrusek primeren za opazovanje na mikroskopu. V takem primeru ročno, strojno ali elektrolitsko zbrusimo in spoliramo del površine predmeta, ki nas zanima, jo jedkamo in jo opazujemo s pomočjo prenosnega mikroskopa. Delo s tem mikroskopom je mnogokrat zelo naporno, mnogo točk na izdelkih, na primer krivine ali ogli, niso dosegljive za opazovanje. Zato se namesto prenosnega mikroskopa vse bolj uporablja preiskava s pomočjo odtisov. Na mestu, ki nas zanima, napravimo odtis in ta odtis nato pregledamo v mikroskopu kot normalne obruse. Za odtise lahko uporabljamo posebne snovi, katere dobavljajo nekatere specializirane firme za meta-lografski material, zelo uspešni pa so tudi odtisi iz lakov. Z 2 % raztopino laka v topilu, npr. form-varja v acetonu, premažemo večkrat pripravljeno mesto, pustimo posušiti, utrdimo z drugim premazom npr. s 4 % rastopino kolodija v kloroformu, odtis odlepimo in pregledamo na mikroskopu. Dobro pripravljeni odtisi verno prikazujejo preiskano površino (slika 12 in 13). Slika 11 X 6 — Autoradiografija. Osiromašenje kristalnih mej v železu z 0,001 % S zaradi žarjenja v vakuumu pri 800» C. Slika 12 c) Visokotemperaturna mikroskopija Nekatere firme izdelujejo posebne pečice, v katerih lahko kovine segrejemo na visoke temperature, tudi do 1700°C, in jih vroče neposredno opazujemo v mikroskopu. V pečici mora biti vakuum ali varovalna atmosfera, da opazovana površina kovine ne oksidira. Največja povečava navadno ne presega 300-krat. Mikroskop lahko z uspehom uporabljamo za opazovanje različnih površinskih pojavov, npr. interakcije med atmosfero in površino kovine, lahko pa opazujemo vse strukturne pojave, ki jih odkriva termično jedkanje, ali pa povzročajo v kovini volumenske spremembe, ki spreminjajo obliko reliefa na opazovani površini. Taki pojavi so alotropske modifikacije, npr. bainitna (slika 14) in martenzitna premena, nataljevanje kovin, izločanje, kristalizacija, rekri-stalizacija in drugo. Potrebno je imeti zadostne izkušnje, da bi bilo delo uspešno in da bi bilo tolmačenje rezultatov pravilno. Visokotemperaturna mikroskopija se uveljavlja kot specifična veja metalografske preiskave. 8. PERSPEKTIVE RAZVOJA METALOGRAFSKE PREISKAVE KOVIN Metalografska preiskava kovin se razvija na dveh področjih: na področju standardnih preiskav, katerih rezultati so v neposredno pomoč pri presoji tehnološkega postopka izdelave, predelave in termične obdelave kovin, ter osnova za presojo primernosti kovine za uporabo in na področju specializiranih metod preiskave, ki so potrebne pri razvoju novih zlitin ali poboljšanju lastnosti tistih zlitin, ki so že v uporabi. Uporabniki zahtevajo vse boljšo kakovost jekla in kovin, s podatki elementne analize pa te kakovosti ne moremo vedno objektivno presoditi. Zato je potrebno, da Slika 14 x 200 — Sekvence bainitne transformacije Cr-Ni-Mo jekla za poboljšanje pri 400° C. Slika 13 100 x — Odtisi strukture jekla v notranjosti bobna parnega kotla. Normalizirana feritno bainitna struktura (si. 12) in kaiiina struktura z razpokami pod zvarom (si. 13). se razvijejo in začnejo uporabljati metode, ki omogočajo kvantitativno fazno analizo kovin. Vzporedno s temi metodami bo potrebno razvijati tudi naprave, s pomočjo katerih bo mogoče kvantitativne fazne analize izvršiti avtomatsko na osnovi uklon j enih ali emitiranih rentgenskih žarkov, ali pa izkoriščale dosedaj neizkoriščene principe. Take naprave bodo morale fazno analizo posameznega mikroskopskega vidnega polja izvršiti hitro (največ v nekaj 10 sekundah) tako, da bo mogoče izvršiti analizo na mnogih točkah kovinske površine in tako statistično določiti realno poprečno sestavo. Proizvajalci kvalitetnih jekel, bodo morali take naprave vpeljati v svoje raziskovalne in kontrolne laboratorije, če bodo hoteli slediti splošnemu trendu razvoja v tehnično naprednih državah. Da bi uspešno izvršili kvantitativno fazno analizo so potrebni brezhibno in enakomerno izdelani obrusi. Manuelno delo priprave obrusov bo potrebno avtomatizirati. To je v tujini že več ali manj izvršeno, pri nas je še malo takih naprav. Elektronska mikrosonda in elektronski mikroskop sta postala standardno orodje vsakega resnega razvojnega dela. V bodočnosti se pa lahko pričakuje da se bo uporaba obeh instrumentov razširila s področja raziskovalne tematike na področje neposrednih kontrolnih preiskav. Literatura E. Plockinger in G. Dorfler: Moderne Verfahren der stereometrischen Analyse; Radex Rundschau, 1967, št. 3^, str. 777—781. B. Dudek: Die Anvvendung des Quantimet in Metalio-graphie; Radex Rundschau, 1967, št. 3—4, str. 790—794. F. Hofer: Erfahrungen beim Einsatz eines Fernsehmi-kroskopes in einem Stahhverk; Radex Rundschau, 1967, št. 3—4, str. 794—805. P. Scvvaat in H. J. Schiller: Die Anvvendung der Ionen-atzund in der Metallographie; Radex Rundschau, 1967, št. 3—4, str. 742—749. H. E. Buhler: Ein Beitrag zur Gefiigeentvvicklung durch Interferenc — Aufdampfschichten; Radex Rundschau, 1967, št. 3—4, str. 672—678. F. Vodopivec, V. Marinkovič in L. Kosec: Uvajanje metode mikrofraktografije pri raziskavah metalurških problemov v zvezi z mehansko tehnološkimi lastnostmi jekel; Poročilo Metalurškega inštituta v Ljubljani, nov. 1964. F. Vodopivec: O upotrebi autoradiografija za ispitivanje metala; Tehnik — Radioaktivni izotopi i zračenja, 1964, št. 3, 419—428. F. Vodopivec in L. Kosec: Ispitivanje metala u mikroskopu kod visokih temperatura; Tehnika — Rudarstvo i metalurgija, 1965, br. 9, 193—203. J. Šinkovic, J. Megušar in N. Majcen: Študije izolacije in separacije karbidov iz jekel; Poročilo Metalurškega inštituta v Ljubljani, marec 1967. G. Petzovv, L. Gessner in D. Holscher: Ober die Schliff-herstellung nach den Vibrationsverfahren; Zeitschrift fur Metallkunde, 53, 1962, št. 8, 535—540. G. Reinacher: Die Anvvendung des Elektrovvischpolierens auf Eisen-Alluminium und Magnesium VVerkstoffe; Berg — und Huttenmannische Monatshefte 109, 1964, št. 3, 62—65. G. Henry in J. Plateau: La Microfraktographie; Editions Metaux, St. Germain en Laye, 1966. ZUSAMMENFASSUNG Im kurzen sind im Artikel die gebrauchlichsten Metho-den fur die metallographische Untersuchung der Metalle beschrieben, und zwar: Makro- und Mikrountersuchungen am optischen Mikroskop, Methoden fur die quantitative Phasenanalyse, mikrofraktographische Untersuchungen und Untersuchungen mit dem Elektronenmikroskop, Untersuchungen mit dem Feinstrukturrontgen und Mikro- sondenuntersuchungen, Hochtemperaturmikroskopie, Auto-radiographie und die zerstorungsfreie Mikroskopie mit der Hilfe von Ausziehabdriicken. Am Anfang und bei den einzelnen Methoden ist auch die Art der Probenvorbereitung beschrieben. Zum Schluss ist noch eine kurze Analyse uber Aussichten der kiinftigen Entvvicklung der einzelnen Untersuchungsmethoden und Methoden fur die Probenvorbereitung gegeben. SUMMARY The most used methods in metallographie investigation of metals are shortly deseribed in the paper: maero- and microinvestigations in the optical microscope, methods for quantitative phase analysis, microfractographic investiga-tions and investigations with electron microscope, X-ray investigations of strueture and electron probe microana- lyzer investigations, high-temperature microscopy, auto-radiography and nondestructive microscopy by replicas. In general also the way of sample preparations is deseribed in the beginning of the paper and with single methods. At the end the author shortly analyzes the prospects of development of single investigation methods and sample preparation methods. 3AKAIOTEHHE B cTaTbe KpaTKO paccMOTpeHbi MeTOAti KOTOpue HaxoAflTcs B ynoTpečAeHHH npH MeTaAA0rpaHa3Hora aHaiuoa, MHKpotJjpaKTOrpatJjHiiccKOc HcnbiTaHHe, HCnbITaHHe C SAeKTpOHHbIM MHKpOCKOIlOM, peHTrCHO-CTpyKTypHOe HCIII.ITai!He, SAeKTpOHHblft MHKpOaHaAH3, BblCOKOTeMne- paTypH3H MHKpocKoiraa, aBTopaAHorpana h, HaKOHeu, mhkpockoiihh 6e3 pa3pyineHHa, coSAioAaii noBTopeHHH. B Ha^aAe, npH oiracaHHH OTAeAbHbix MeTOAOB yKa3aH0 TaK»e Ha cnocočbi npnroTOBAeHHH 06pa3U0B. B 3aKAiOHeHHH aBTop AaeT KpaTKHfl aHaAH3 nepcneKTHBbi pa3BHTHa OTAeAbHbix mctoaob ircnbi-TaHHH AAa npurOTOBAeHHS Heo6xoAHMUx o6pa3UQB.