Kaj je mikrostruktura Mikrostrukturo sestavljajo faze in kristalne

Kaj je mikrostruktura Mikrostrukturo sestavljajo faze in kristalne napake. Faza je področje z enakimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi (homogena snov). Velikosti mikrostrukturnih sestavin se raztezajo od nekaj atomskih dolžin do velikosti, ki jih zlahka opazimo z našimi očmi. S svetlobnim mikroskopom lahko razločimo mikrostrukturne sestavine, ki so velike okoli 1 mm. Z vrstičnim (rastrskim) mikroskopom razločimo sestavine, ki so velike nekaj nm. S presevnim (transmisijskim) elektronskim mikroskopom pa je možna že atomska ločljivost. Razločimo lahko tudi številne napake, med njimi tudi dislokacije, skupke praznin. . . Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič 1

Katere mikrostrukturne parametre želimo določiti? Faze Kemijska sestava Kristalna zgradba Oblika, velikost, orientacija, porazdelitev Prostorninski delež Kristalne napake Vrsta Oblika, velikost, porazdelitev Pogostost Mejne površine Skladnost Medsebojna orientacija faz Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič 2

Elementi mikrostrukture Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič 3

Enofazna mikrostruktura Najbližje idealnemu kristalu je monokristal ali enovit kristal, ki nima kristalnih mej, vsebuje pa nič- in enodimenzijske napake, od dvodimenzijskih pa morebiti le napake zloga, ki nastanejo s cepljenjem dislokacij; torej ima mikrostrukturo. Ostala gradiva so polikristalna, sestavljena iz velikega števila kristalnih zrn, ki so med seboj ločena s kristalnimi mejami. Posamezna kristalna zrna vsebujejo dislokacije, praznine, intersticijske in substitucijske atome, dvojčične meje, malokotne meje, itd. Monokristal Polikristalna ravnina Enakoosna kristalna zrna Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič Usmerjena kristalna zrna 4

Kristalna in mikrostrukturna anizotropija Za kristale je značilno, da se razdalje med atomi v različnih smereh razlikujejo med seboj, zato so tudi njihove lastnosti v različnih smereh različne - anizotropne. Pri polikristalnih gradivih so lahko kristalna zrna enakoosna ali usmerjena, lastnosti pa so lahko izotropne ali anizotropne. Mikrostruktura ima anizotropne lastnosti, kadar je večina kristalnih zrn podobno kristalografsko orientiranih; v tem primeru govorimo o teksturi. Pri opazovanju s svetlobnim mikroskopom praviloma ne moremo ugotoviti kristalne orientiranosti (teksture), z lahkoto pa odkrijemo usmerjenost kristalnih zrn. Kristalna zrna so usmerjena, če je njihova dolžina je v kaki smeri mnogo večja kot v drugih. Enakoosna zrna imajo približno enako velikost v vseh smereh. Če so tudi naključno orientirana, so lastnosti materiala v vseh smereh enake. Govorimo o izotropnih lastnostih. Pravilnejši izraz je kvaziizotropija, kajti izotropne lastnosti izmerimo le na vzorcih, ki so precej večji od srednje velikosti kristalnih zrn. Namreč, če je analizna prostornina manjša kot kristalno zrno, so lastnosti ponovno smerno odvisne - anizotropne. Mikrostrukture, Materiali I, copyright 5 Franc Zupanič

Dvofazna mikrostruktura - izotropna Disperzna Mrežasta Dupleksna Dualna V disperzni mikrostrukturi so delci faze b bolj ali manj enakomerno porazdeljeni v fazi a (slika 1. 3 a). Nahajajo se tako v zrnih a kot tudi po mejah zrn. Prostorninski delež faze b je 0 ~ Vb < 0. 8. Površina mej med delci faze b je Abb ~ 0, obstajajo le meje a/a in a/b. V mrežasti mikrostrukturi se faza b izloča pretežno po mejah zrn faze a in jih obda z bolj ali manj neprekinjeno plastjo (slika 1. 3 b). V idealni mrežasti mikrostrukturi je zato Aaa = 0, obstajajo le meje med zrni b in a/b. Mrežasta mikrostruktura je običajno neželena, še posebej, če je faza b trda in krhka ter predstavlja prednostno pot za napredovanje razpok. V dualni mikrostrukturi je delež faze b: Vb = 0, 2… 0, 3. Zrna faze b se nahajajo na stičišču treh zrn faze a (slika 1. 3 d). V idealni dualni mikrostrukturi je Abb = 0. V dupleksni mikrostrukturi je prostorninski delež faz a in b približno enak: Va = Vb = 0, 5. Zrna a in b so enako velika in statistično (naključno) razporejena, zato velja: 2 Aaa 2 Abb Aab (slika 1. 3 c). Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič 6

Dvofazna mikrostrukture - anizotropna Paličasta Lamelna Gradientna Obstajajo tudi usmerjene dvofazne mikrostrukture. Značilni sta lamelna in palična mikrostruktura, ki ju lahko dosežemo pri usmerjenem evtektičnem strjevanju, pogosti pa sta tudi v kompozitih Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič 7

Svetlobna mikroskopija je osnovna metoda, s katero preiskujemo površino materialov. Njena prednost je v tem, da dobimo pregleden vtis o celotni preiskovani površini, torej o celotni mikrostrukturi vzorca. Svetlobna mikroskopija spada k vizualni materialografiji. Z njo namreč dobimo vpogled v obliko, velikost in razporeditev mikrostrukturnih sestavin; neposredno pa ne dobimo podatkov o njihovi kemijski sestavi, kristalni zgradbi in kristalni orientaciji. Običajni svetlobni mikroskopi zahtevajo ravno, gladko ter kontrastno preiskovano površino, ki jo dosežemo z brušenjem, poliranjem in jedkanjem. S stereomikroskopi lahko opazujemo tudi hrapave površine, kot so prelomnine, vendar praviloma le pri manjših povečavah. Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič 8

Ločljivost mikroskopov Pri mikroskopiranju je od same povečave slike bistveno pomembnejši podatek ločljivost (ali razločljivost) mikroskopa d. Ločljivost definiramo kot najmanjši razmik dveh točk na vzorcu, ki ju lahko razločimo (slika 1. 6). Ločljivost svetlobnega mikroskopa omejuje valovna dolžina svetlobe. Če uporabimo modro svetlobo, ki ima valovno dolžino okoli 450 nm, bo v najboljšem primeru ločljivost svetlobnega mikroskopa okoli 0, 2 mm. Če vzamemo, da je ločljivost človeškega očesa okoli 0, 2 mm, potem moramo sliko povečati za 1000 -krat, da lahko točke, ki jih razloči optični sistem, razločimo tudi mi. Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič 9

Globinska ostrina je lastnost optičnih sistemov, da lahko vidimo ostro predmete, ki se nahajajo na različnih razdaljah. Globinska ostrina svetlobnega mikroskopa je majhna, nekaj desetink mikrometra. Zato je toliko bolj razumljivo, zakaj je za opazovanje nujna optično gladka površina vzorca. Razmislite (in preskusite), na kateri razdalji od vaših oči je ločljivost največja! Dajte si roko pred oči. Ali lahko hkrati jasno razločite prstne odtise in črke v knjigi? Če ne, zakaj? Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič 10

Vrstični elektronski mikroskop (SEM) Vrstični se imenuje zato, ker elektronski curek tipa raziskovano površino po vzporednih črtah. Pogosto uporabljamo kratico SEM, ki izhaja iz njegovega angleškega poimenovanja: Scanning Electron Microscope. Vrstični elektronski mikroskop je sestavljen iz elektronske puške, v kateri nastane snop pospešenih elektronov; elektronskih leč za fokusiranje in odklanjanje elektronskega snopa; detektorjev za sprejemanje elektronov in elektromagnetnih valovanj, ki nastanejo pri interakciji elektronskega snopa z vzorcem ter krmilja za optimiranje pogojev dela in prikaz elektronske slike (slika 1. 7 a). Poleg tega je potrebna tudi vakuumska enota, ki zagotavlja v komori nizke tlake od 10– 4 Pa do 10– 5 Pa. V novejših izvedbah je lahko v komori z vzorcem tudi tlak 10 -1000 Pa. To omogoča bistveno enostavnejšo raziskavo medicinskih, bioloških in polimernih vzorcev. Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič 11

Nastanek elektronske slike Elektronski snop se pomika po površini vzorca po 1000 med seboj enako razmaknjenih vrsticah. V vsaki vrstici se ustavi na l 000 med seboj enako oddaljenih točkah. Torej zaporedoma potipa l 000 x 1000 točk. Usklajeno z gibanjem elektronskega snopa po površini vzorca se pomika tudi elektronski snop po monitorju. Če je elektronski snop v točki (l, 1) na vzorcu, je tudi elektronski snop na monitorju v točki (1, 1) – to je v levem zgornjem kotu. Pri interakciji snopa z vzorcem nastane določeno število npr. odbitih elektronov. Ustrezen detektor te elektrone zajame, tako da nastane v detektorju električni signal, ki ga ojačimo, z njim pa krmilimo jakost elektronskega curka na monitorju. Čim večji je tok odbitih elektronov, tem svetlejša je točka na monitorju. Celotna elektronska slika ne nastane naenkrat, temveč z zaporednim premikanjem elektronskega curka po raziskovani površini. Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič 12

Presevni elektronski mikroskop (TEM) TEM ima ločljivost pod 1 nm. Zato postajajo smiselne tudi povečave nad 1 000 -krat. Pri visokoločljivem TEM lahko vidimo tudi razvrstitev atomov. Dislokacije so vidne kot črne črte. Dobro lahko razločimo tudi različno velike izločke. Elektroni se obnašajo kot valovanje, zato se pri prehodu skozi snov uklanjajo. Iz uklonskih slik lahko dobimo podatke o kristalni zgradbi. Na sliki 1. 10 b sta uklonski sliki dveh faz: osnove in izločkov, ki se prepletata. Uklonski vzorec ima štirištevno sučno os. Iz tega izhaja, da ima tudi kristal štirištevno sučno os, ki jo najdemo le v kubični (os je pravokotno na ploskev kocke) in tetragonalni kristalni zgradbi (os je vzporedno s c-osjo). Obe fazi imata enako orientacijo. Ker nekatere točke sovpadajo, lahko sklepamo, da imata tudi enako mrežno konstanto, tako da je njuna fazna meja koherentna ali skladna. Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič 13

Mikrokemijska analiza S pospešenimi elektroni povzročimo prehod elektronov z notranjih orbital atomov na višje energijske nivoje. Pri preskoku elektronov v nižje stanje navadno nastane rentgensko sevanje. Rentgenski spekter vsebuje poleg črt (vrhov) značilnih za posamezen element, ki so primerne za kvalitativno[1] in kvantitativno[2] analizo, tudi nespecifično zavorno sevanje. Elektronska mikroanaliza je najbolj pogosta metoda za lokalno mikrokemično analizo trdnin. Elektronski curek vzbudi atome v zelo majhni prostornini, ki meri v premeru od 1 - 30 mm. Rentgensko sevanje razstavimo glede na energijo ali valovno dolžino (podobno kot razstavi prizma belo vidno svetlobo v svetlobni spekter – mavrico) ter ga kvalitativno in kvantitativno analiziramo. Mikrokemijsko analiziramo v SEM in TEM. [1] Kvalitativna analiza: ugotavljamo, kateri elementi so v vzorcu. [2] Kvantitativna analiza: ugotavljamo deleže ali koncentracije posameznih elementov. Za ugotavljanje deležev ali koncentracij se v analizni kemiji uporablja skrajšan izraz določevanje. Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič 14

Točkovna mikrokemična analiza – karbidna trdina zmesni karbid kobalt Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič WC 15

Črtna mikrokemična analiza Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič 16

Ploskovna mikrokemična analiza Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič 17

Kvantitativna mikrokemična analiza Ime spektra Mg 2 Si Si Si. Fe. Ti. Zr; Fe. Si 2 Si. Ca. Cu Si-1 O 6. 20 6. 50 27. 93 Mg 62. 94 8. 11 Si 30. 86 93. 50 37. 76 50. 98 68. 18 56. 27 Ca Fe 11. 86 28. 31 91. 89 Ti 17. 91 49. 02 31. 82 2. 96 1. 91 Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič Cu Zr 4. 55 10. 55 18

Rentgenska difrakcija Valovanje se uklanja na ovirah, katerih velikost je enakega reda velikosti kot valovna dolžina valovanja. Velikost osnovnih gradnikov kristala – predvsem atomov in ionov – je približno 10 -10 m. Na takšnih ovirah se uklanjajo rentgenski žarki, hitri elektroni in nevtroni. Danes se za ugotavljanje kristalne zgradbe snovi največ uporablja difraktometrska metoda (slika levo). Pri tej metodi obseva rentgenski žarek površino vzorca pod kotom q. Med obratovanjem se vzorec sinhrono vrti s polovično hitrostjo detektorja, tako da je kot med virom žarkov in vzorcem vedno enak kotu med vzorcem in detektorjem. Pri vsakem kotu q se rentgenski žarki "odbijejo" od površine. Če je fazni zamik med različnimi rentgenskimi žarki enak večkratniku valovne dolžine (vrh enega vala sovpada z vrhom drugega vala), se žarki okrepijo, drugače pa izničijo. Kjer se valovi okrepijo, se v rentgenskem spektru pojavijo vrhovi (slika desno) Mikrostrukture, Materiali I, copyright Franc Zupanič 19