METALLOGRAFIA
METALLOGRAFIA (XXII, p. 33)
Daremo qui di seguito notizie sulle più recenti tecniche metallografiche rese possibili dallo sviluppo della microscopia ottica (microscopia a contrasto di fase e in luce ultravioletta) ed elettronica dei metodi röntgenografici, della microradiografia e delle applicazioni della diffrazione elettronica.
Tecniche metallografiche recenti. - Microscopia ottica. - In questo settore sono particolarmente da ricordare la microscopia a contrasto di fase e quella in luce ultravioletta. La microscopia a contrasto di fase è basata, come è noto (App. II, ii, p. 310), sulle differenze di fase che insorgono nella luce riflessa dal campione a causa delle differenze di livello in superficie fra i varî microcostituenti: si ottengono con tale dispositivo differenze di luminosità e colore fra le varie fasi. Con questo metodo è possibile mettere in evidenza differenze di livello dell'ordine di 50 Å vale a dire di circa 20 distanze interatomiche. La preparazione del campione è molto importante poiché è a mezzo della lucidatura meccanica e dell'attacco chimico che si viene a determinare quel "bassorilievo" dei costituenti che è fondamentale per l'osservazione a contrasto di fase: si può dire che l'esame a contrasto di fase presuppone per ogni tipo di materiale una particolare tecnica di preparazione delle superfici, comprendente adeguata lucidatura e attacco.
Quanto alla microscopia a raggi ultravioletti, essa è giustificata dal fatto che secondo la legge di Abbe il potere risolvente di un obiettivo (cioè la capacità di produrre immagini ben distinte di punti situati a piccola distanza) è direttamente proporzionale all'apertura numerica e inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda impiegata. A causa delle difficoltà che s'incontrano nella progettazione e nella costruzione di obiettivi apocromatici con apertura numerica maggiore di 1,6 è peraltro conveniente ricorrere a più piccole lunghezze d'onda, portandosi nel campo dell'ultravioletto, piuttosto che aumentare l'apertura numerica degli obiettivi. Una limitazione grave è costituita dalla difficoltà della messa a fuoco di una radiazione non visibile, ed è appunto questa difficoltà che ha ritardato l'applicazione delle radiazioni ultraviolette, malgrado l'ottimo grado di correzione cromatica dei moderni obiettivi. Il problema è stato risolto con la messa a punto di un obiettivo corretto sia per la radiazione ultravioletta λ = 3650 Å, sia per la radiazione verde λ = 5640 Å; alla lunghezza d'onda di 3650 Å (che è quella emessa da una lampada di quarzo a vapori di mercurio) il potere risolutivo risulta aumentato di circa il 50% rispetto a quello che si ha con luce verde di 5400 Å. Il potere risolutivo in luce ultravioletta di un obiettivo con apertura numerica 1,6 risulta di circa 0,11 micron; in generale però si preferisce usare obiettivi con apertura numerica inferiore (1,3 circa) per i quali il potere risolutivo risulta di 0,14 micron circa. Usando lenti di quarzo, di calcite o di fluorite, che presentano un basso assorbimento per le radiazioni ultraviolette, è possibile lavorare con lunghezze d'onda fino a 2000 Å. Sono allo studio obiettivi cromaticamente corretti per una notevole gamma di lunghezze d'onda, non solo nell'ultravioletto ma anche nel visibile: queste lenti, una volta messe a punto, consentiranno la possibilità di individuare e di identificare i varî microcostituenti per assorbimento selettivo.
Microscopia elettronica. - Il forte ingrandimento e soprattutto l'elevato potere risolutivo del microscopio elettronico (App. II, ii, p. 310) rendono questo strumento particolarmente preciso per le ricerche metallurgiche. Il potere risolutivo del microscopio elettronico ordinario è infatti di circa 25 Å, assai superiore a quello dei microscopî ottici in luce visibile (~ 2000 Å) e ultravioletta (~ 1000 Å); si sono però ottenuti con particolari accorgimenti, risoluzioni dell'ordine di 10 ÷ 20 Å, mentre il limite teorico raggiungibile sarebbe, secondo alcuni, di 1 Å, ciò che permetterebbe di risolvere particelle dello stesso ordine di grandezza degli atomi (circa 3 Å). Le osservazioni metallografiche dirette vengono effettuate a circa 10.000 ÷ 20.000 ingrandimenti, le immagini possono essere ulteriormente ingrandite di cinque volte fino ad ottenere riproduzioni assai chiare a 50.000 ÷ 100.000 ingrandimenti.
Dato l'assorbimento delle radiazioni elettroniche da parte della materia le osservazioni non possono essere effettuate direttamente sul campione: lo studio dei metalli deve essere eseguito a mezzo di "repliche", trasparenti ai raggi elettronici, che riproducano con la maggior fedeltà possibile la superficie del materiale mettendone in evidenza le particolarità microstrutturali; per avere buoni risultati di contrasto fotografico le repliche devono essere molto sottili, con dislivelli relativamente alti in relazione allo spessore, ed occorre effettuare un processo di ombratura metallica sotto vuoto.
I problemi metallografici che si prestano allo studio con il microscopio elettronico sono essenzialmente di due tipi che possiamo definire tecnologico e fondamentale.
Fra i problemi di tipo tecnologico rientra lo studio dei costituenti microstrutturali riusciti finora irresolubili col microscopio ottico: sorbite, troostite, bainite superiore ed inferiore, martensite α e β, leghe invecchiabili, costituenti precipitati ed in corso di precipitazione; studio della fragilità intercristallina, delle fratture fragili, affinamento del grano ad opera di particelle colloidali; influenza del boro sulla temprabilità, germinazione delle ghise sferoidali; controllo del grano negli acciai. Fra i problemi di tipo fondamentale ricordiamo lo studio dell'eventuale presenza e dello spessore del cemento amorfo o dello strato distorto ai giunti dei grani, lo studio delle dislocazioni o per lo meno di alcuni fenomeni connessi con le dislocazioni, lo studio sulla formazione e accrescimento dei nuclei di cristallizzazione, e finalmente lo studio sulle relazioni eventualmente esistenti fra dimensioni e suddivisioni di certi microcostituenti da un lato e caratteristiche meccaniche dall'altro.
Metodi röntgenografici. - I metodi röntgenografici sono ormai da considerare indispensabili per lo studio della struttura cristallina dei metalli: essi si basano sulla legge di Bragg: λ = 2d sen α, secondo la quale per una serie di piani reticolari situati a distanza d, si ha la riflessione completa dei raggi X aventi lunghezza d'onda λ che incidano sotto l'angolo a (v. XIx, p. 391).
I metodi röntgenografici usati in metallografia sono il metodo di Laue, che impiega radiazioni policromatiche e viene usato per lo studio della simmetria e delle imperfezioni dei monocristalli, e il metodo Debye-Scherrer, che impiega un fascio monocromatico ed è il più usato per la determinazione delle caratteristiche reticolari su aggregati metallici policristallini con orientamento disordinato (v. XXVIII, p. 766). Il metodo Debye-Scherrer può essere usato con campione fisso e rotante: il metodo del campione rotante consente di sottoporre a favorevole orientazione un maggior numero di piani in modo tale che le immagini sulla pellicola risultano più definite: infatti specie nei metalli a grano grosso le suddette immagini non risultano continue ma costituite piuttosto da punti più o meno numerosi; ciò è dovuto al numero relativamente piccolo di facce riflettenti. È anche da ricordare il metodo di Bragg, che utilizza fasci monocromatici per lo studio di monocristalli; il cristallo viene fatto rotare finché si ha riflessione per una certa famiglia di piani reticolari: misurando gli angoli di incidenza per ogni famiglia, si calcolano le caratteristiche reticolari.
Le principali applicazioni della röntgenografia microstrutturale in metallografia sono le seguenti: a) determinazione della struttura cristallina dei monocristalli (metodo di Laue); imperfezioni di accrescimento o dovute a deformazioni su monocristalli (metodo di Laue); b) determinazione delle caratteristiche reticolari in un monocristallo (metodo di Bragg e metodo del cristallo rotante: quest'ultimo si può considerare come una combinazione dei metodi di Bragg e di Debye-Scherrer); c) determinazione delle caratteristiche reticolari di un aggregato policristallino (metodo di Debye-Scherrer); d) determinazione della solubilità allo stato solido (metodo Debye-Scherrer, applicato a leghe di diversa composizione percentuale); e) studio dei fenomeni di invecchiamento (metodo DebyeScherrer, che mette in rilievo la comparsa di nuove fasi e la variazione delle caratteristiche reticolari delle soluzioni solide soprassature); f) determinazione delle dimensioni dei grani (metodo Debye-Scherrer). Il presupposto affinché le linee dei diagrammi Debye-Scherrer risultino unite e continue è che il grano sia fine, tale cioè che numerosi siano i cristalli colpiti dal raggio incidente e numerosi quindi i piani riflettenti di una stessa famiglia: se il grano è grosso le linee Debye-Scherrer risulteranno costituite da punti; g) orientazioni preferenziali dovute alla lavorazione a freddo. Quando in seguito a lavorazione a freddo eseguita in un solo senso i cristalli assumono un orientamento preferenziale, lungo le linee dei diagrammi Debye-Scherrer si potranno rilevare posizioni di maggiore o minore luminosità; dall'esame di diagrammi ottenuti effettuando prese su sezioni facenti angoli diversi con la direzione di lavorazione, si ricavano utili insegnamenti circa gli orientamenti preferenziali provocati nella struttura cristallina dalle lavorazioni stesse; h) determinazione delle tensioni interne. Se la distanza reticolare fra i piani delle varie famiglie è alterata in conseguenza di uno stato di coazione elastica esistente all'interno o anche per effetto di sollecitazioni applicate all'esterno, le linee dei röntgenogrammi Debye-Scherrer risulteranno spostate dalla loro posizione normale: la misura di questi spostamenti consente di determinare l'entità delle tensioni interne esistenti nel materiale.
Microradiografia. - È un metodo basato sull'assorbimento differenziale di un fascio di raggi X che attraversa una sezione sottile (da 0,10 mm per i metalli leggeri a 0,02 ÷ 0,05 mm per i metalli pesanti) del metallo in esame. Il metodo presuppone la conoscenza dei coefficienti di assorbimento dei varî costituenti metallografici ed i valori limiti dei salti di assorbimento delle varie fasi interessate; è così possibile, effettuando diverse prese con radiazioni monocromatiche di differente lunghezza d'onda, identificare la natura di inclusioni non metalliche, la loro distribuzione, le loro dimensioni, ecc.
Le riprese fotografiche vengono effettuate per contatto diretto fra preparato e pellicola come nella normale radiografia: successivamente l'immagine microradiografica viene ingrandita fino a circa 200 volte: è necessario perciò disporre di pellicole a grana eccezionalmente fine il che implica una minore sensibilità e perciò tempi di esposizione relativamente elevati. Si lavora con radiazioni monocromatiche emesse da tubi con diversi materiali anticatodici, opportunamente filtrate per attenuare la radiazione bianca e la Kβ; meglio ancora, se si vuole lavorare con la Kα pura si adottano cristalli monocromatori.
La principale applicazione della microradiografia consiste nello studio e nell'identificazione delle inclusioni non metalliche. Altro campo di applicazione è quello inerente all'identificazione e valutazione di discontinuità microscopiche, non valutabili con la normale radiografia.
Diffrazione elettronica. - Com'è noto (v. XIX, p. 392) la legge di Bragg vale anche per la diffrazione dei raggi elettronici. Dato però il valore piccolissimo della lunghezza d'onda associata ai raggi elettronici (circa 0,05 Å mentre nei raggi × le lunghezze d'onda per queste applicazioni si scelgono nel campo fra 0,7 Å e 2,50 Å), l'angolo di diffrazione sarà molto piccolo, per cui per una riflessione del primo ordine relativa ai piani di distanza reticolare d, potremo scrivere: d = λL/R, nella quale L è la distanza tra il preparato e lo schermo ed R è la distanza fra l'immagine del raggio riflesso e quella del raggio primario.
La caratteristica essenziale che differenzia la diffrazione elettronica da quella dei raggi X è costituita dal fatto che i raggi elettronici vengono rapidamente assorbiti dalla materia e perciò le osservazioni si riferiscono a strati sottilissimi, e cioè a strati superficiali se si tratta di diffrazione per riflessione. Si hanno due metodi principali: a) esame per trasparenza: si possono studiare con questo procedimento gli strati di reazione delle superfici metalliche (per es. ossidazione anodica dell'alluminio) che si possono separare od isolare dal metallo sottostante; b) esame delle superfici con incidenza radente: come abbiamo detto, il metodo può essere applicato allo studio dello strato superficiale.