Metallografia

La Metallografia è la scienza che studia la struttura dei materiali metallici in relazione alle loro proprietà sia chimico-fisiche, sia meccaniche. E’ composta da due principali tecniche: in primo luogo quella di preparazione dei campioni metallografici per l’osservazione al microscopio, poi, appunto, quella osservazione e studio della struttura degli stessi.

PREPARAZIONE DEI CAMPIONI METALLOGRAFICI
Per ottenere una superficie metallica idonea all’osservazione sotto microscopio metallografico sono necessarie una serie di operazioni che consentano di arrivare ad un aspetto della superficie in questione, estremamente riflettente:

• troncatura metallografica
• inglobamento
• levigatura
• lucidatura metallografica
• attacco acido

Troncatura metallografica
La troncatura metallografica è una delle fasi di preparazione del campione più importanti e delicate perché è indispensabile riuscire ad eseguire un taglio preciso e soprattutto che, durante il sezionamento, non surriscaldi la superficie ottenuta; ciò altrimenti altererà irrimediabilmente la struttura del provino non consentendo così di poterlo identificare per le sue reali peculiarità. Per questo scopo è necessario disporre di una troncatrice metallografica del tipo di quelle fornite da aziende che trattano apparecchiature e consumabili metallografici quali ad esempio Winter, Struers, ATM, Skyward, Presi, Metkon, Lam Plan, Buelher, Leco, Remet, Cloeren Technology ecc. All'interno di questa si deve montare una mola metallografica composta da diversi tipi di abrasivo (Al2O3 Ossido di Alluminio o Corindone; Carburo di Silicio o SIC; Nitruro Cubico di Boro o CBN; Diamante) a seconda della tipologia del metallo che si deve sezionare. Le misure di tali dischi di troncatura metallografica sono uniformate e pertanto compatibili con qualsiasi tipo di sezionatrice metallografica. Un altro aspetto importante della superficie, da ottenere è il grado di rugosità. Più basso è il valore di rugosità (Ra), più è liscia la superficie e più semplice, dunque, arrivare al risultato finale della preparazione del provino metallografico. Ecco che la scelta della giusta mola metallografica diventa un aspetto determinante. Una volta ottenuto il frammento di metallo da analizzare si può procedere con la seconda operazione: l’inglobamento.

Inglobamento
Per proteggere i bordi del campione metallografico da analizzare (specialmente se ha subìto un trattamento di indurimento superficiale) si procede all’inglobamento che consiste nell’annegare lo stesso in un composto di resina fluida. Si ottiene così, una volta indurita la resina, un provino metallografico più maneggevole e protettivo, del metallo da studiare. Tale operazione si può eseguire mediante l’uso di una pressa inglobatrice metallografica (nel caso di inglobamento a caldo) o di formelle in silcone (nel caso di inglobamento a freddo). Come per la troncatura metallografica con le mole, anche per l’inglobamento si utilizzano delle resine per inglobamento di vario tipo in funzione dell’analisi che si dovrà effettuare (fenoliche, epossidiche , con fibre di vetro, acriliche). Ciò che è importante è ottenere un’ottimale adesione della resina sui bordi del campione per salvaguardargli la superficie. A questo punto, dopo aver inglobato, si può passare all’operazione successiva cioè la levigatura.

Levigatura o anche Prelevigatura
Questa operazione consiste nel levigare la superficie del provino metallografico deformata rimuovendone il materiale con più passaggi di abrasivo via via più fine sino ad ottenere delle minime alterazioni della stessa che potranno essere ulteriormente appianate con l'operazione successiva (lucidatura). Per eseguire questa lavorazione è necessario utilizzare una levigatrice metallografica sulla quale vengono applicati dischi abrasivi di carta al Carburo di silicio(SIC) nelle varie granulometrie (P80,P120,P240...ecc). Le dimensioni dei dischi variano a seconda della quantità di provini metallografici da levigare contemporaneamente; ma sono comunque di misure uniformate per consentirne l'utilizzo su apparecchiature metallografiche di qualsiasi marca e modello (es. Struers, ATM, Skyward, Presi, Lam Plan, Metkon, Leco, Buelher, Remet, Cloeren Technology ecc). Ottenuto il grado di finitura desiderato, si passa poi alla fase successiva, appunto la lucidatura.
 
Lucidatura
Questa fase è praticamente il proseguimento della levigatura; pertanto l'apparecchiatura metallografica da adoperare è la stessa (levigatrice metallografica). La differenza sta nell'utilizzo di panni di lucidatura metallografica di differenti materiali e strutture (seta, poliestere tessuto e poliestere non-tessuto; tramati, in fiocco, nappati, ecc). Il diverso tipo di panno viene scelto in funzione del tipo di metallo da lucidare e della granulometria dell'abrasivo (solitamente Diamante o silicio colloidale detto anche Allumina) oltre, chiaramente, al grado di finitura superficiale che si vuole ottenere. E' facilmente intuibile che le granulometrie degli abrasivi usati in questa fase sono decisamente minori (da ¼ a 45 micron) di quelle che troviamo nei dischi abrasivi al SIC. Solitamente, infatti, questi abrasivi si trovano in sospensioni a base d'acqua o alcool oppure spray. Al termine dei vari passaggi con sempre più fini grani di abrasivo opportunamente lubrificato con liquidi metallografici, si ottiene finalmente una superficie altamente riflettente che in seguito all'ultima fase della preparazione metallografica (l'attacco acido) sarà idonea all'osservazione sotto microscopio metallografico.
 
Attacco acido
Nella maggior parte dei casi un provino metallografico anche se ben lappato e lucidato , sotto analisi microscopica non rivela la sua microstruttura. E' necessario quindi, agire attraverso un processo di attacco acido sulla sua superficie che ne metta in evidenza l'architettura. Per far ciò è sufficiente immergere per qualche istante il campione metallografico in un acido che, a seconda della natura del materiale, è di diversa composizione (Nital, Picral, Keller, Cogne, ecc). Al termine, dopo il risciacquo e l'asciugatura, si è pronti per osservare e studiare la microstruttura del provino metallografico preso in considerazione.

OSSERVAZIONE E STUDIO DELLA STRUTTURA NEL CAMPIONE METALLOGRAFICO

Struttura metallografica
Poter osservare e studiare la struttura di un metallo, ci consente di capire come questo si comporterà durante o dopo una lavorazione successiva (meccanica, trattamento termico, trattamento chimico). Le principali caratteristiche che solitamente si vanno a prendere in considerazione sono: le dimensioni dei grani cristallini, le inclusioni, le orientazioni strutturali, i precipitati, le fasi. Una volta definita la struttura del campione preso in esame si è in grado di apportare eventuali modifiche che ne migliorino le performance fisico-chimiche e meccaniche (aggiunta o modifica delle percentuali di elementi chimici, trattamenti di indurimento superficiale, ecc).
L'osservazione è altresì indispensabile per la ricerca delle fratture e le cause di rottura di un qualsiasi particolare meccanico o la sua usura; oltre che per la failure anlysis (studio del degrado che porta alla rottura di un materiale).