اچ رنگی فلزات

اچ رنگی فلزات (Color Metallography) مجموعه‌ای از روش های متالوگرافی نوری است که با استفاده از واکنش‌های شیمیایی، تشکیل لایه های سطحی و تداخل نور موجب ایجاد رنگ‌های متمایز می‌شود. این رنگ‌ها امکان مشاهده مرزدانه ها و تفکیک فازها را در زیر میکروسکوپ نوری فراهم میکنند.
این تکنیک در مقایسه با روش‌های متالوگرافی کلاسیک—که عمدتاً تصاویر سیاه‌وسفید با کنتراست محدود تولید می‌کنند—اطلاعات بسیار بیشتری دربارهٔ ترکیب فازی، توزیع دانه‌ها، جهت بلوری و ساختارهای پیچیده ارائه می‌دهد.

بندانگشتی|238x238پیکسل|نمونه‌ای از میکروسکوپ نوری که فرآیند اچینگ برای مشاهده تصاویر با آن صورت میگیرد.

تاریخچه
در اوایل قرن بیستم روش های ابتدایی‌ای برای متالوگرافی رنگی معرفی شدند ولی در دهه‌های پایانی قرن با انجام پژوهش ها مجموعه‌ای از معرف‌ها (etchants) توسعه یافتند که قادر بودند رنگ‌های پایدار و قابل تکرار روی فلزات و برخی آلیاژ ها ایجاد کنند.
از جمله‌ی این پژوهش ها مربوط به «جورج اف. وندر وورت» (George F. Vander Voort) بود که نشان داد تشکیل فیلم‌های نازک اکسیدی یا نمکی روی سطح فلز—در اثر اچ—می‌تواند با ضخامت‌های چند ده تا چند صد نانومتر، موجب ایجاد تداخل نوری و بروز رنگ شود؛ رنگ‌هایی که بسته به ترکیب شیمیایی، پتانسیل الکتروشیمیایی و انرژی سطحی فازها متفاوت‌اند.
با ورود میکروسکوپ‌های نوری پیشرفته، فیلترهای قطبش، و سیستم‌های تصویربرداری دیجیتال، کاربرد اچ رنگی رو به گسترش گذاشت و تبدیل به روشی کم‌هزینه، سریع و در بسیاری موارد جایگزین روش‌های الکترونی پیچیده شد.

مبنای علمی تشکیل رنگ
در اچ رنگی معمولاً یکی از سازوکارهای زیر رخ می‌دهد:
تشکیل فیلم نازک (Thin-Film Formation) واکنش‌های شیمیایی میان معرف و سطح فلز ممکن است لایه‌های نازکی از اکسیدها یا ترکیبات محلول‌نشده ایجاد کند. این لایه‌ها با ضخامت چند نانومتر، باعث تداخل نور و تولید رنگ‌های متفاوت در فازهای مختلف می‌شوند. 
تفاوت پتانسیل الکتروشیمیایی فازها فازهای مختلف دارای واکنش‌پذیری متفاوت‌اند؛ این تفاوت در تشکیل فیلم یا انحلال سطح، رنگ و شدت رنگ را تغییر می‌دهد.
اثر جهت بلوری (Orientation Contrast) در برخی آلیاژها جهت قرارگیری دانه‌ها بر شدت رنگ اثر می‌گذارد. برای مثال در آلیاژ برنج H59، فاز β بسته به جهت‌گیری بلوری، درجات مختلفی از روشنایی و تیرگی نشان می‌دهد. 
بندانگشتی|تصاویر حاصل از متالوگرافی نمونه‌های فلزی

روش‌های متداول اچ رنگی
برخی از مهم‌ترین روش‌های اچ رنگی عبارت‌اند از:
Tint Etching (اچ رنگی شیمیایی) استفاده از معرف‌های ویژه روشی است که در فولادهای زنگ‌نزن، فولادهای ابزار، آلیاژهای نیکل و آلومینیوم رایج است.
Anodic Coloring (رنگ‌آمیزی آندی) می توان جریان الکتریکی در الکترولیت برای ایجاد لایهٔ اکسیدی رنگی اعمال کرد.
Polarized Light Etching (میکروسکوپ نوری قطبیده) بدون نیاز به معرف‌های رنگی، با استفاده از نور قطبی‌شده کنتراست رنگی ایجاد می‌شود.
Interference Layer Etching بر پایهٔ تشکیل فیلم‌های تداخلی، مناسب برای فلزات سخت‌اچ.

کاربردها در تحلیل ساختار فلزات
۱. تحلیل چدن‌های گرافیتی
در پژوهشی بر روی چدن‌های گرافیتی نشان داده شد که اچ رنگی می‌تواند اطلاعات بسیار دقیق‌تری نسبت به اچ سیاه‌وسفید ارائه دهد. فازهای گرافیت، زمینهٔ فریتی، کاربیدها و نواحی تفکیک فازی با رنگ‌های متفاوت قابل تشخیص‌اند. 
این روش به‌ویژه در تشخیص نوع گرافیت، شکل‌گیری پرلیت و بررسی توزیع کاربیدها اهمیت دارد.
۲. کنترل کیفیت در آلیاژهای آلومینیوم–سیلیسیم (Al–Si)
در تولید قطعات ریختگی آلومینیوم–سیلیسیم، بسیاری از فازهای بین‌فلزی با روش معمولی قابل مشاهده نیستند. پژوهشی در سال ۲۰۱۹ نشان داد که استفاده از اچ رنگی موجب افزایش چشمگیر توانایی تشخیص فازهای سیلیسیمی، فازهای بین‌فلزی Fe-rich و ساختارهای رسوبی می‌شود. 
این امر برای کنترل کیفیت بازیافت آلیاژها اهمیت حیاتی دارد.
۳. تفکیک فاز در برنج و آلیاژهای مس
در آلیاژ برنج H59، اچ رنگی موجب جدایش دقیق فازهای α و β شده و حتی اختلاف جهت بلوری این فازها را به صورت تفاوت‌های رنگی نمایش داده است. این ویژگی برای بررسی رسوبات، ساختار دو فازی و رفتار مکانیکی مفید است.
۴. کاربرد در جداسازی فازهای پیچیده‌تر
بسیاری از فولادهای زنگ‌نزن، سوپرآلیاژهای نیکل و آلیاژهای تیتانیوم دارای فازهای هم‌رنگ یا نزدیک به هم هستند. اچ رنگی می‌تواند فازهای زیر را قابل رؤیت کند:
δ–ferrite
کاربیدهای M₂۳C₆
رسوبات σ و χ
مناطق ترمومکانیکی تغییر یافته

مزایا و محدودیت‌ها
مزایا
قابل استفاده در آزمایشگاه‌های معمولی

 عدم نیاز به میکروسکوپ الکترونی
 تفکیک رنگی بسیار قوی
 مناسب کنترل کیفیت صنعتی

محدودیت‌ها
حساس به زمان و شرایط اچ
حساسیت زیاد به پرداخت سطح (پولیش)
دشواری استانداردسازی در مقایسه با روش‌های دیجیتال

کاربردهای صنعتی
در صنعت، اچ رنگی در حوزه‌های زیر استفاده می‌شود:

 کنترل کیفیت قطعات ریختگی
 تشخیص فازهای مضر (مانند فاز σ در فولاد زنگ‌نزن)
 تحلیل شکست و فرایندهای آسیب مواد
 مطالعات فرآیندهای حرارتی و عملیات حرارتی
 بررسی خوردگی و لایه‌های محافظ

پیشرفت‌های متالوگرافی رنگی
بندانگشتی|میکروسکوپ SEM(Scanning electron microscope)
متالوگرافی رنگی طی دو دههٔ اخیر با بهبود معرف‌ها، روش‌های آماده‌سازی و تصویربرداری دیجیتال پیشرفت قابل‌توجهی داشته است. معرفی نسخه‌های جدید معرف‌های Beraha و Weck امکان تفکیک دقیق‌تر فازهایی مانند مارتنزیت، بینیت، کاربیدها و آستنیت باقی‌مانده را فراهم کرده است. همچنین توسعهٔ پولیش مکانیکی نانویی و پولیش الکترولیتی باعث افزایش یکنواختی سطح و کاهش خطاهای رایج مانند «اچ بیش‌ازحد» شده است. پیشرفت میکروسکوپ‌های نوری دیجیتال نیز دقت ثبت رنگ، کنتراست و قابلیت تحلیل کمی تصویر را ارتقا داده است. این روش اکنون در بررسی آلیاژهای پیچیده مانند فولادهای پیشرفته، چدن‌های گرافیتی، آلیاژهای آلومینیوم–منیزیم–سیلیسیم و سوپرآلیاژهای نیکل کاربرد گسترده‌ای دارد و در برخی موارد توانسته نتایجی نزدیک به روش‌های پیشرفته‌تری مانند SEM و EBSD ارائه دهد. مجموع این پیشرفت‌ها متالوگرافی رنگی را از یک روش کیفی ساده به ابزاری دقیق و قابل‌اعتماد تبدیل کرده است.بندانگشتی|عکس AlCoCrFeNi₂.₁ که با روش electrolytic etching، اچ شده.
جمع‌بندی
اچ رنگی فلزات یکی از روش‌های کلیدی و کارآمد در متالوگرافی نوری است که امکان مشاهدهٔ دقیق و تفکیک‌پذیر ساختار را با هزینهٔ کم فراهم می‌کند. مطالعات جدید نشان داده‌اند که این تکنیک نه‌تنها می‌تواند جایگزین برخی روش‌های الکترونی پیچیده شود، بلکه در بسیاری کاربردها—از کنترل کیفیت آلیاژها تا تحلیل ریزساختارهای پیچیده—اطلاعاتی به‌دست می‌دهد که روش‌های کلاسیک قادر به فراهم‌کردن آن نیستند.
پیشرفت‌های اخیر در شناخت سازوکارهای اپتیکی تشکیل رنگ، و بررسی in-situ لایه‌های سطحی، نشان می‌دهند که این روش از نظر علمی قابل اتکاست و همچنان به عنوان ابزاری قدرتمند در علم مواد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

جستارهای وابسته

منابع

رده:متالورژی