Керамография - Ceramography

Керамография это искусство и наука подготовки, изучения и оценки керамика микроструктуры.^[1] Керамографию можно рассматривать как металлография керамики. Микроструктура - это структурный уровень примерно от 0,1 до 100 мкм, между минимальным длина волны из видимый свет и предел разрешения невооруженного глаза. Микроструктура включает большинство зерен, вторичных фаз, границы зерен, поры, микротрещины и микровыступы твердости. Большая часть механических, оптических, тепловых, электрические и магнитные свойства существенно зависят от микроструктуры. 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 промышленного назначения, например 85–99,9%. глинозем (Al₂О₃) на рис.1, цирконий (ZrO₂), Карбид кремния (SiC), нитрид кремния (Si₃N₄) и керамика-матрица композиты. Редко используется на белой посуде. керамика такие как сантехника, настенная плитка и посуда.

• Керамографические микроструктуры
• 

  Рис.1: Термическое травление 99,9% оксида алюминия

• 

  Рис. 2: Тонкое сечение оксида алюминия 99,9%.

История

Керамография развивалась вместе с другими отраслями материографии и керамическая инженерия. Алоис де Видманштеттен Австрии выгравировал метеорит в 1808 году, чтобы раскрытьэвтектоид феррит группы, выросшие на предшествующих аустенит границы зерен. Геолог Генри Клифтон Сорби, "отец металлографии", применил петрографические методы в сталелитейной промышленности в 1860-х годах в Шеффилде, Англия.^[2] Французский геолог Огюст Мишель-Леви разработал диаграмму, которая коррелировала оптические свойства минералов с их передаваемым цветом и толщиной в 1880-х годах. Шведский металлург Я.А. Бринелль изобрел первую количественную шкалу твердости в 1900 году.^[3] Смит и Сандленд разработали первый тест на твердость по микровыступам Виккерс Ltd. в Лондоне в 1922 году.^[4] Швейцарский микроскопист А.И. Buehler основал первый производитель металлографического оборудования недалеко от Чикаго в 1936 году. Фредерик Кноп и его коллеги из Национальное бюро стандартов в 1939 году разработал менее проникающий (чем по Виккерсу) тест на микровыступ.^[5] Struers A / S of Copenhagen представил электролитический полировщик к металлографии в 1943 году. Джордж Кель из Колумбийский университет написал книгу, которая до 1980-х годов считалась библией материографии.^[6] Кель стал соучредителем группы в Комиссия по атомной энергии это стало Международное металлографическое общество^[7] в 1967 г.

Подготовка керамографических образцов

Подготовка керамических образцов к микроструктурному анализу состоит из пяти основных этапов: распиловка, встраивание, шлифование, полировка и травление. Инструменты и расходные материалы для керамографической подготовки доступны по всему миру у поставщиков металлографического оборудования и лаборатория сбытовые компании.

Распиловка

Большинство керамических материалов чрезвычайно твердые, и их необходимо распиливать с помощью дискового ножа с алмазными частицами. Металлография или гранильный пила с низкой плотностью алмазный диск обычно подходит.^{[нужна цитата ]} 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.^{[нужна цитата ]} А термореактивный твердый смола, активируется теплом и сжатие, например минеральный эпоксидная смола, лучше всего подходит для большинства приложений. Литьевая (жидкая) смола, такая как ненаполненная эпоксидная смола, акрил или же полиэстер может использоваться для пористых огнеупорный керамика или микроэлектроника устройств. Литейные смолы также доступны с флуоресцентный красители, которые помогают в флуоресцентная микроскопия. 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

Шлифовка - это истирание интересующей поверхности путем абразивный частицы, обычно алмазные, которые прикреплены к бумаге или металлическому диску. Шлифование стирает следы пилы, грубо выравнивает поверхность и удаляет припуск на нужную глубину. Типичная последовательность шлифования керамики составляет одну минуту на 240-твердость металлический алмаз колесо вращается со скоростью 240 об / мин и смазывается проточной водой с последующей аналогичной обработкой на круге с зернистостью 400. После каждого шага образец промывают в ультразвуковой ванне.^{[нужна цитата ]}

Полировка

Полировка - это абразивное истирание с помощью свободных абразивов, которые взвешены в смазке и могут катиться или скользить между образцом и бумагой. Полировка стирает следы шлифования и придает образцу зеркальный вид. Полировка на голом металлическом валике называется притирка. Типичная последовательность полировки керамики составляет 5–10 минут на алмазную пасту или суспензию 15, 6 и 1 мкм. безвкусный бумага вращается со скоростью 240 об / мин. После каждого шага образец снова промывают в ультразвуковой ванне. Три набора образцов на рис. 3 были распилены, заделаны, 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 керамиографии - это избирательная химическая коррозия и термическая обработка, вызывающая облегчение. Например, оксид алюминия может быть подвергнут химическому травлению путем погружения в кипящую концентрированную фосфорная кислота в течение 30–60 с или термическим травлением в печи в течение 20–40 мин 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 ​​как тонкие срезы, также известный как петрография, для исследования с помощью микроскопии в поляризованном проходящем свете. В этой технике образец распиливается до толщины ~ 1 мм, приклеивается к предметное стекло микроскопа, а также шлифованные или распиленные (например, микротом ) до толщины (Икс) приближается к 30 мкм.^[8][9] На открытую поверхность наклеивается покровное стекло. Клеи, такие как эпоксидная смола или Канадский бальзам смола, должна иметь примерно такую ​​же показатель преломления (η ≈ 1,54) как стекло. У большинства керамических изделий очень маленький коэффициент поглощения (α ≈ 0,5 см ⁻¹ для глинозема на рис.2) в Закон Бера – Ламберта ниже, и его можно рассматривать в проходящем свете. Кубический керамика, например стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония и шпинель, имеют одинаковый показатель преломления во всех кристаллографический направления и поэтому кажутся черными, когда микроскоп поляризатор не совпадает по фазе на 90 ° с его анализатор.

${\displaystyle I_{t}=I_{0}e^{-\alpha x}}$ (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 за счет Формула Френеля ниже. Чистый оксид алюминия (η ≈ 1,77, k ≈ 10 ⁻⁶) имеет незначительную 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 иммерсионное масло.

${\displaystyle R={\frac {I_{r}}{I_{i}}}={\frac {(\eta _{1}-\eta _{2})^{2}+k^{2}}{(\eta _{1}+\eta _{2})^{2}+k^{2}}}}$ (Уравнение Френеля)

Керамографический анализ

Керамические микроструктуры чаще всего анализируются с помощью отраженного видимого света. микроскопия в светлое поле. Darkfield используется в ограниченных случаях, например, для выявления трещин. Поляризованный проходящий свет используется с тонкими срезами, где контраст между зернами исходит от двулучепреломление. Очень мелкие микроструктуры могут потребовать более высокого увеличение и разрешающая способность из растровый электронный микроскоп (SEM) или конфокальный лазерный сканирующий микроскоп (CLSM). В катодолюминесцентный микроскоп (CLM) полезен для различения фаз огнеупоров. В просвечивающий электронный микроскоп (ТЕА) и сканирующий акустический микроскоп (SAM) имеют специальные применения в керамиографии.

Керамографию часто проводят качественно, чтобы сравнить микроструктуру компонента с эталоном для контроль качества или же анализ отказов целей. Три общих количественных анализа микроструктуры: размер зерна, второй -фаза содержание и пористость. Микроструктуры измеряются по принципам стереология, в котором 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 зерна 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 с помощью методов линейной доли или доли площади. ASTM E112. В методах линейного дробления статистический размер зерна вычисляется из числа зерен или границ зерен, пересекающих линию известной длины или окружность известной длины. В методе доли площади размер зерен 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 изображений может измерить факторы формы отдельных зерен по ASTM E1382.

Содержание второй фазы и пористость измеряются таким же образом в микроструктуре, такой как ASTM E562. Процедура E562 - это метод точечной фракции, основанный на стереологическом принципе: точечная доля = объемная доля, т. Е. п_п = V_v. Содержание второй фазы в керамике, такой как нитевидные кристаллы карбида в оксидной матрице, обычно выражается как масса дробная часть. Объем фракции можно преобразовать в массовые, если плотность каждой фазы известно. Анализ изображений может 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 достаточно, как это обычно бывает.

Размер зерна, пористость и содержание второй фазы были коррелированный с керамическими свойствами, такими как механическая прочность σ на Холл – Петч уравнение. Твердость, стойкость, диэлектрическая постоянная и многие другие свойства зависят от микроструктуры.

Твердость и ударная вязкость на микровыступах

Вдавливание Кнупа (P = 1 кг) в оксиде алюминия 99,5%

Ударная вязкость (P = 10 кг) в 96% оксиде алюминия

Твердость материала можно измерить разными способами. В Тест твердости по Кнупу Метод определения твердости микровыступов является наиболее воспроизводимым для плотной керамики. В Тест твердости по Виккерсу и поверхностный Весы Роквелла (например, 45N) также можно использовать, но, как правило, они вызывают большее повреждение поверхности, чем Knoop. 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 некоторое время, скажем 10 с, и индентор втягивается. Отступ по длинной диагонали (d, мкм, на рис.4) измеряется под микроскопом, а твердость по Кнупу (HK) рассчитывается исходя из нагрузки (P, грамм ) и квадрат длины диагонали в уравнениях ниже. Константы учитывают проектируемую площадь индентора и коэффициенты пересчета единиц. Большинство оксидных керамик имеют твердость по Кнупу в диапазоне 1000–1500 кг_ж / мм² (10-15 гПа ), а многие карбиды - более 2000 (20 ГПа). Метод указан в ASTM C849, C1326 и E384. Твердость по микровыступам еще называют микровыступами.твердость вдавливания или просто микротвердость. Твердость очень мелких частиц и тонких пленок керамики, порядка 100 нм, может быть измерена с помощью наноиндентирование методы, использующие Беркович индентор.

${\displaystyle HK=14229{\frac {P}{d^{2}}}}$ (кг_ж/ мм²) и ${\displaystyle HK=139.54{\frac {P}{d^{2}}}}$ (ГПа)

Прочность керамики можно определить с помощью теста Виккерса под нагрузкой 10-20 кг. Стойкость способность материала сопротивляться растрескиванию распространение. Было произведено несколько расчетов по нагрузке (P), модуль упругости (E), твердость по микровыступам (H), трескаться длина^[10] (c на рис.5) и предел прочности при изгибе (σ).^[11] Прутки с модулем разрыва (MOR) с прямоугольным поперечным сечением имеют отступы в трех местах на полированной поверхности. Стержни нагружают по 4-х точкам изгиба 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 закаленный диоксид циркония - целых 13, а цементированные карбиды часто старше 20 лет.^[12] Методы определения ударной вязкости в последнее время были дискредитированы и заменяются более строгими методами, измеряющими рост трещины в надрезе. луч в изгиб.^[13]

${\displaystyle K_{icl}=0.016{\sqrt {\frac {E}{H}}}{\frac {P}{(c_{0})^{1.5}}}}$ начальная длина трещины

${\displaystyle K_{isb}=0.59\left({\frac {E}{H}}\right)^{1/8}[\sigma (P^{1/3})]^{3/4}}$ прочность вдавливания при изгибе

Рекомендации

1. R.E. Чинн, Керамография, ASM International и Американское керамическое общество, 2002 г., стр. 1.
2. К.С. Смит, История металлографии, University of Chicago Press, 1960, стр. 169–185.
3. В.Э. Лисахт, Испытание на твердость при вдавливании, Reinhold Publishing Corp., 1949, стр. 17–18.
4. Р. Л. Смит, Г. Э. Сандленд, «Точный метод определения твердости металлов, с особым упором на те, которые имеют высокую степень твердости», Труды института инженеров-механиков, Vol. I, 1922, с. 623–641.
5. Ф. Кнуп, К.Г. Петерс и У. Эмерсон, «Чувствительный пирамидально-алмазный инструмент для измерения вдавливания», Журнал исследований Национального бюро стандартов, V23 # 1, июль 1939 г., Research Paper RP1220, p 39–61.
6. Г.Л. Кель, Принципы металлографической лабораторной практики, McGraw – Hill Book Co., 1939, 1943 и 1949 (три выпуска).
7. Международное металлографическое общество
8. У. Таффнер и Р. Телле, «Опыт, полученный при изготовлении тонких срезов высококачественной керамики с использованием Discoplan-TS», Структура, 24, Февраль 1991 г., стр. 12–14.
9. В. Ахмед. Методы петрографических исследований. Технические примечания, Buehler Ltd., Том 3, Выпуск 5, 2000 г.
10. G.R. Анстис и другие., «Критическая оценка методов вдавливания для измерения вязкости разрушения: I, Прямые измерения трещин», Варенье. Ceram. Soc., 64 [9] стр. 533–538 (сентябрь 1981 г.).
11. П. Чантикул и другие., «Критическая оценка методов вдавливания для измерения вязкости разрушения: II, метод прочности», Варенье. Ceram. Soc., 64 [9] стр. 539–543 (сентябрь 1981 г.).
12. Д.В. Ричерсон, Современная керамическая инженерия, 2-е изд., Marcel Dekker Inc., 1992, ISBN  0-8247-8634-3, с.741.
13. Г.Д. Куинн и R.C. Брэдт, «Об испытании на вязкость разрушения при вдавливании по Виккерсу», Варенье. Ceram. Soc., 90 [3] стр. 673–680 (март 2007 г.).

Дополнительная литература и внешние ссылки

• Металлографическая подготовка керамических и металлокерамических материалов, Leco Met-Tips No. 19, 2008.
• Подготовка образцов керамического материала, Buehler Ltd., 1990.
• Структура, Том 33, Struers A / S, 1998, с. 3–20.
• Руководство по металогам Struers
• С. Бинковски, Р. Пол и М. Войдт, «Сравнение методов подготовки с использованием микроструктурных изображений керамических материалов», Структура, Том 39, 2002, стр. 8–19.
• R.E. Чинн, Керамография, ASM International и Американское керамическое общество, 2002, ISBN  0-87170-770-5.
• Д.Дж. Клинтон, Руководство по полировке и травлению технической и инженерной керамики, Институт керамики, 1987.
• Электронная библиотека керамических микроструктур, Дейтонский университет, 2003 г.
• Г. Эльсснер, Х. Ховен, Г. Кисслер и П. Веллнер, перевод Р. Верта, Керамика и керамические композиты: материалографическая подготовка, Elsevier Science Inc., 1999 г., ISBN  978-0-444-10030-6.
• Р.М. Фулрат и Дж. А. Паск, изд., Керамические микроструктуры: их анализ, значение и изготовление, Роберт Э. Кригер Паблишинг Ко., 1968 г., ISBN  0-88275-262-6.
• К. Гилс в сотрудничестве с Д. Фаулер, W-U Kopp & M. Rückert, Подготовка образцов для металлографических и материаловедческих исследований, световая микроскопия, анализ изображений и определение твердости, ASTM International, 2007 г., ISBN  978-0-8031-4265-7.
• Х. Инсли и В.Д. Фрешет, Микроскопия керамики и цемента, Academic Press Inc., 1955.
• МЫ. Ли и У. Рейнфорт, Керамические микроструктуры: контроль собственности путем обработки, Чепмен и Холл, 1994.
• I.J. МакКольм, Керамическая твердость, Пленум Пресс, 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 г., ISBN  978-0-87170-633-1.
• Г.Д. Куинн, «Испытание керамики на твердость при вдавливании», Справочник ASM, Том 8: Механические испытания и оценка, ASM International, 2000, стр. 244–251, ISBN  0-87170-389-0.
• В. Сантханам, "Металлография цементированных карбидов", Справочник ASM Том 9: Металлография и микроструктуры, ASM International, 2004, 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. Зиппериан, Металлографический справочник, PACE Technologies, 2011.