Velg en side

Mitt fagområde: Kunsten å se de små detaljene

8. mai. 2020 | Blogg

Jeg er avdelingsingeniør ved SINTEF Norlabs gruppe for materialtesting og mikroskopi. I denne bloggartikkelen skal jeg fortelle om hvordan vi i SINTEF Norlab bruker mikroskopi og metallografi til å karakterisere materialer, for våre kunder i landbasert industri, olje og gass, og bygg og anlegg. 

Til våre lesere som kommer fra bransjen vil jeg si: noe av dette er sannsynligvis kjent stoff, men det er alltid hyggelig å snakke fag (og kanskje SINTEF Norlab bør stå på din liste med kompetente og akkrediterte leverandører av laboratorietjenester innen områdene P14 og P15).  Til våre lesere som ikke kommer fra bransjen vil jeg si: materialers mikrostruktur er en superspennende verden og du inviteres gjerne til en BYOS (Bring Your Own Sample)-omvisning på laben.

La oss ta et steg tilbake dit det hele startet.  Helt siden Galileo Galilei konstruerte det som blant mange regnes som det første mikroskopet for over 400 år siden, har en betydelig del av vitenskapen handlet om å kunne se og avbilde stadig mindre detaljer. Flere nobelpriser har blitt tildelt forskere for oppdagelser innen mikroskopi, og utallige flere oppdagelser har blitt gjort mulig som følge av stadig bedre mikroskop. Vi kan i stor grad takke mikroskopet for fremskritt som oppdagelsen av celler, bakterier og virus, utviklingen av nye materialer og konstruksjonen av moderne mikroprosessorer.

Ett av de største gjennombruddene innen mikroskopiens verden i nyere tid var konstruksjonen av det første elektronmikroskopet på 1930-tallet. Ved å bruke stråler av elektroner istedenfor lys var ikke lengre mikroskopets oppløsning begrenset av lysets bølgelengde, og man kunne i teorien se detaljer helt ned på atomnivå. Elektronmikroskopet åpnet også opp for nye analysemetoder, som kjemisk analyse gjennom energidispersiv spektroskopi (EDS) eller røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS). Hos SINTEF Norlab er elektronmikroskopet et viktig verktøy i jakten etter kreftfremkallende asbestfibre i luft- og byggprøver.

Figur 2: Mikrostrukturen i stål.

Selv om moderne elektronmikroskop har blitt både bedre, billigere og enklere i bruk er det fortsatt det gammeldagse lysmikroskopet som er stjerna på SINTEF Norlabs metallografilaboratorium. Metallografi er det vitenskapelige begrepet som brukes om undersøkelsen og kartleggingen av metaller og legeringer sin indre struktur. Utviklingen innen metallografien siden starten på 1900-tallet i vært med på å legge grunnlaget for de teknologiske fremskrittene vi nyter godt av i dag. I dag er metallografi både et viktig verktøy innen forskning og utvikling og inne produksjonskontroll og produkttesting. På metallografilaboratoriet til SINTEF Norlab i Mo i Rana har vi lange tradisjoner med å bruke metallografi og lysmikroskop som verktøy. Helt fra Norsk Jernverk sine dager har metallografiske undersøkelser av stål og jern blitt utført i Mo i Rana. I takt med den historiske utviklingen av olje- og gass-sektoren og etableringen av ny, moderne industri har fasiliteten på laboratoriet blitt oppgradert i tråd med industriens etterspørsel. Dette har gjort det mulig å teste og analysere stadig nye legeringer og materialer.

Figur 3: Fagkyndig undersøkelse av mikrostruktur i lysmikroskop.

Metallografi er på mange måter et fagfelt som kombinerer både håndverk og teoretisk kunnskap. For å få gode resultater kreves det at prøvene blir behandlet riktig. Å preparere en prøve for metallografi er en vitenskap i seg selv som krever god erfaring med de forskjellige metallene og legeringen. For å kunne tolke resultatene er man avhengig av en kombinasjon av materialkunnskap og erfaring. Et mikroskopbilde av en mikrostruktur vil i mange tilfeller gi en ekspert informasjon om blant annet metallets mekaniske egenskaper, legeringsinnhold og produksjonsforløp. I kombinasjon med mekanisk testing vil en metallografisk undersøkelse kunne gi et grundig bilde av en komponents materialegenskaper.

Figur 4: Preparering av en metallprøve.

På metallografilaboratoriet til SINTEF Norlab er en metallografisk undersøkelse i eller utenfor lysmikroskopet en viktig del av de fleste oppdragene vi utfører. En undersøkelse som ikke krever mikroskopisk forstørrelse kalles gjerne en makroundersøkelse. Makroundersøkelser gjøres ofte for sveiseprøver hvor mikrostrukturforskjeller kan sees med det blotte øye. Ved testing av sveiseprosedyrer i rusfrie stål som AISI316, duplex og super duplex (SDSS) kombineres ofte en makroundersøkelse med en mikroskopiundersøkelse for å kartlegge volumforholdet mellom ferritt og austenitt samt forekomsten av eventuelle presipitater og intermetalliske faser.

Figur 5: Å studere bruddflaten i SEM kan si mye om hvordan bruddet har oppstått.

I forbindelse med skadeundersøkelser kombinere vi gjerne både makroundersøkelser, mikrostrukturundersøkelser, mekanisk testing og undersøkelse av bruddflaten i elektronmikroskop, også kalt fraktografi, for å få et grundig bilde av skaden.

Også mikroskopteknologien er i utvikling. I SINTEF Norlab ser vi med stor interesse på utviklingen av nye analysemetoder og fremskritt innen automatisk bildebehandling. Allerede i dag har vi muligheten til å gjennomføre partikkelanalyse i SEM med flere hundre partikler i hver prøve, noe som ville vært utenkelig for få år siden. Men selv med utviklingen av mer automatiserte prosesser vet vi at gode resultater avhenger av riktig preparerte prøver gjennom godt håndverk og god kunnskap.

Akkurat nå jobber vi med nye prosedyrer innen bruddmekanisk testing. Når vi kommer i gang med dette på kommersiell basis, håper jeg å komme med en oppfølging til denne artikkelen.

Ta gjerne direkte kontakt med meg på epost andreas.hjorth@sintefnorlab.no for faglige spørsmål.  Og som sagt, alle er velkomne til en BYOS-omvisning på laben (om ikke akkurat nå i disse koronatider).

Andreas S. Hjorth
Avdelingsingeniør ved gruppe for materialtesting og mikroskopi