Aplicação da Microscopia Eletrônica de Varredura na Análise de Falhas de Materiais Metálicos

Materiais metálicos são materiais com propriedades como brilho, ductilidade, fácil condutividade e transferência de calor. Geralmente é dividido em dois tipos: metais ferrosos e metais não ferrosos. Os metais ferrosos incluem ferro, cromo, manganês, etc. Até agora, o ferro e o aço ainda dominam a composição das matérias-primas industriais. Muitas empresas siderúrgicas e institutos de pesquisa utilizam as vantagens exclusivas do SEM para resolver problemas encontrados na produção e para auxiliar na pesquisa e desenvolvimento de novos produtos. A microscopia eletrônica de varredura com acessórios correspondentes tornou-se uma ferramenta favorável para a indústria siderúrgica e metalúrgica realizar pesquisas e identificar problemas no processo produtivo. Com o aumento da resolução e automação do SEM, a aplicação do SEM na análise e caracterização de materiais está se tornando cada vez mais difundida.

A análise de falhas é uma nova disciplina que foi popularizada por empresas militares para pesquisar acadêmicos e empresas nos últimos anos. A falha de peças metálicas pode levar à degradação do desempenho da peça em casos menores e a acidentes de segurança em casos maiores. Localizar as causas da falha através da análise de falhas e propor medidas eficazes de melhoria são passos essenciais para garantir a operação segura do projeto. Portanto, aproveitar ao máximo as vantagens da microscopia eletrônica de varredura dará uma grande contribuição para o progresso da indústria de materiais metálicos.

01 Observação por microscópio eletrônico de fratura por tração de peças metálicas     

A fratura sempre ocorre na parte mais fraca do tecido metálico e registra muitas informações valiosas sobre todo o processo de fratura, por isso a observação e o estudo da fratura sempre foram enfatizados no estudo da fratura. A análise morfológica da fratura é utilizada para estudar alguns problemas básicos que levam à fratura do material, como a causa da fratura, a natureza da fratura e o modo de fratura. Se quisermos estudar em profundidade o mecanismo de fratura do material, geralmente temos que analisar a composição da microárea na superfície da fratura, e a análise de fratura tornou-se agora uma ferramenta importante para análise de falhas de componentes metálicos.

Fig. 1 Microscópio Eletrônico de Varredura CIQTEK SEM3100 morfologia da fratura por tração

De acordo com a natureza da fratura, a fratura pode ser amplamente classificada em fratura frágil e fratura plástica. A superfície de fratura da fratura frágil é geralmente perpendicular à tensão de tração, e a fratura frágil consiste em uma superfície cristalina brilhante do ponto de vista macroscópico; a fratura plástica é geralmente fibrosa com covinhas finas na fratura na visão macroscópica.

A base experimental da análise de fratura é a observação direta e análise das características morfológicas e microestruturais macroscópicas da superfície de fratura. Em muitos casos, a natureza da fratura, a localização do início e o caminho de extensão da fissura podem ser determinados usando observação macroscópica, mas para um estudo detalhado próximo à fonte da fratura para analisar a causa da fratura e o mecanismo de fratura, observação microscópica é necessário, e como a fratura é uma superfície irregular e rugosa, o microscópio usado para observar a fratura deve ter a máxima profundidade de campo, a maior faixa de ampliação possível e alta resolução. Combinando essas necessidades, o SEM é amplamente utilizado na área de análise de fraturas. Figura 1 três amostras de fratura por tração, através de observação macroscópica de baixa ampliação e observação de microestrutura de alta ampliação, amostra A fratura é um padrão de rio (Figura A) para características típicas de fratura frágil; amostra B macroscópica sem morfologia fibrosa (Figura B), microestrutura sem aparecimento de ninhos resistentes, para fratura frágil; A fratura macroscópica da amostra C consiste em facetas brilhantes, portanto, as fraturas por tração acima são fraturas frágeis.

02 Observação microscópica eletrônica de inclusões de aço

O desempenho do aço depende principalmente da composição química e da organização do aço. As inclusões no aço existem principalmente na forma de compostos não metálicos, como óxidos, sulfetos, nitretos, etc., que causam organização desigual do aço, e sua geometria, composição química, fatores físicos, etc., não apenas tornam o aço o desempenho do processamento a frio e a quente é reduzido, mas também afeta as propriedades mecânicas do material. A composição, número, forma e distribuição das inclusões não metálicas têm grande influência na resistência, plasticidade, tenacidade, resistência à fadiga, resistência à corrosão e outras propriedades do aço, portanto, as inclusões não metálicas são itens indispensáveis ​​na inspeção metalográfica de materiais siderúrgicos. Ao estudar o comportamento das inclusões no aço, utilizando a tecnologia correspondente para prevenir a formação adicional de inclusões no aço e reduzir as inclusões já presentes no aço, é de grande importância produzir aço de alta pureza e melhorar o desempenho do aço.

Figura 2 Morfologia das inclusões

Figura 3 Análise espectral de inclusões compostas TiN-Al2O3 da superfície de energia

No caso das inclusões mostradas na Figura 2 e Figura 3, ao utilizar MEV para observação das inclusões, juntamente com a análise do espectro de energia das inclusões contidas no ferro puro, pode-se observar que os tipos de inclusões contidas no ferro puro são óxidos, nitretos e inclusões compostas.

Por exemplo, medindo o comprimento das inclusões no caso mostrado acima, pode-se observar que o tamanho médio das inclusões de Al2O3 é de cerca de 3 μm, TiN e AlN estão dentro de 5 μm e o tamanho das inclusões compostas não excede 8 μm; Essas inclusões finas desempenham um papel de fixação dos domínios magnéticos dentro do ferro eletrotecnicamente puro, o que afetará as propriedades magnéticas finais.

A fonte de inclusões de óxido Al2O3 pode ser os produtos de desoxidação da fabricação de aço e óxidos secundários do processo de fundição contínua, a forma no material de aço é principalmente esférica, uma pequena parte da forma irregular. Ao observar as inclusões, não devemos apenas observar a morfologia e composição das inclusões, mas também prestar atenção ao tamanho e distribuição das inclusões, o que requer uma avaliação abrangente do nível de inclusões. Por exemplo, se as inclusões levam à fissuração da peça de trabalho para análise de falhas, grandes partículas de inclusões são geralmente encontradas na origem da fissuração, por isso é importante estudar o tamanho, a composição, a quantidade e a forma das inclusões para localizar a causa da falha. da peça de trabalho.

03 Método de microscopia eletrônica de varredura para detecção de fases de precipitação prejudiciais em materiais de aço     

Fase precipitada é a fase que precipita quando a temperatura da solução sólida saturada diminui, ou a fase que precipita quando a solução sólida supersaturada obtida após o tratamento da solução sólida envelhece, que é um processo de transformação de fase no estado sólido em que as partículas da segunda fase são precipitado e dessolvatado da solução sólida supersaturada e nucleado. A fase precipitada tem um papel muito importante no aço, sua resistência, tenacidade, plasticidade, propriedades de fadiga e muitas outras propriedades físicas e químicas importantes têm um impacto importante. O controle adequado da fase de precipitação do aço pode fortalecer as propriedades do aço; se a temperatura do tratamento térmico e o controle do tempo não forem apropriados, causará um declínio acentuado nas propriedades do metal, como fratura frágil, corrosão fácil, etc.

Fig. 4 Diagrama de retroespalhamento da fase de precipitação de ferro puro SEM3100 pelo microscópio eletrônico de varredura CIQTEK

A uma certa tensão de aceleração, uma vez que o rendimento de elétrons retroespalhados basicamente aumenta com o aumento do número atômico da amostra, os elétrons retroespalhados podem ser usados ​​como um sinal de imagem para exibir a imagem do liner do número atômico e a distribuição de componentes químicos em a superfície da amostra pode ser observada dentro de uma certa faixa. O número atômico do Pb é 82, e o rendimento de elétrons retroespalhados do Pb é alto no modo retroespalhado, então o Pb é branco brilhante na imagem.

Os perigos do Pb em materiais de aço são os seguintes, porque Pb e Fe não geram solução sólida, que é difícil de remover no processo de fundição, e é fácil polarizar nos limites dos grãos e formar cocristais de baixo ponto de fusão para enfraquecer a ligação do limite de grão, de modo que o desempenho de processamento a quente do material seja reduzido. As possíveis fontes de precipitação de Pb no ferro eletrotecnicamente puro são o Pb contido nas matérias-primas da produção de ferro e os vestígios de Pb contidos nos elementos de liga adicionados durante a fundição. Se utilizado para fins especiais, não está excluída a possibilidade de adicioná-lo durante a fundição, com o objetivo de melhorar as propriedades de corte e processamento.

04 Conclusão     

A microscopia eletrônica de varredura como ferramenta de análise microscópica, pode ser uma variedade de formas de observação de materiais metálicos, pode ser uma análise detalhada de vários tipos de defeitos, falha de materiais metálicos das causas da análise abrangente de posicionamento. Com a melhoria contínua e o aprimoramento das funções do SEM, o SEM pode realizar cada vez mais trabalhos, não apenas fornece uma base confiável para o estudo da melhoria das propriedades dos materiais, mas também desempenha um papel importante no controle dos processos de produção, design de novos produtos e pesquisa. .