Preparazione Elettrolitica Metallografica

Metodi di preparazione elettrolitica e contrasto ottico

La visibilità o meno di una microstruttura in luce polarizzata (con una lastra colorata sensibile nel percorso ottico) dipende fortemente dalle fasi del materiale analizzato. In questo contesto, il tipo di reticolo di Bravais del materiale ricopre un ruolo di grande importanza. Mentre i metalli BCC e FCC come l'acciaio, l'alluminio, il rame o il cromo devono essere incisi per vedere la microstruttura, i metalli e le leghe HCP come l'α-titanio, il cobalto, l'afnio, le leghe di zinco o il bismuto ortorombico mostrano la loro microstruttura allo stato lucido.
Esistono varie tecniche di contrasto ottico. I cristalli birifrangenti, ad esempio, (ad esempio le sferuliti nei polimeri parzialmente cristallini come le poliammidi o il polietilene ad alta densità), possono essere visualizzati con metodi di contrasto di fase. Anche la microscopia a fluorescenza e la microscopia in campo oscuro sono metodi di contrasto importanti per l'analisi degli errori. Tuttavia, di solito vengono applicate per visualizzare microfratture, pori o simili disomogeneità del materiale.
In molti casi, tuttavia, la luce incidente del microscopio viene riflessa in modo abbastanza uniforme. Pertanto, per consentire qualsiasi tipo di valutazione ottica, il contrasto deve essere generato in altro modo, ad esempio mediante preparazione elettrolitica metallografica. 

L'attacco chimico in metallografia

I processi di preparazione elettrolitica sono i più comuni nella metallografia grazie alla loro convenienza e semplicità applicativa. Nella maggior parte dei casi vengono eseguiti per immersione: la superficie del campione da preparare viene completamente immersa nel reagente. Un'altra tecnica, adatta ad alcune applicazioni, è quella che implica l'utilizzo di un tampone: in questo caso, tamponi di cotone o tessuti molto morbidi vengono bagnati con l'attacco e la superficie del campione viene strofinata. Questo metodo si applica in genere quando l'immersione non è tecnicamente possibile a causa della sensibilità del materiale al reagente. Occorre prestare attenzione a non graffiare la superficie preparata. Nella maggior parte dei casi, la preparazione elettrolitica è una corrosione o ossidazione selettiva, cosiddetta preparazione elettrolitica di struttura.
Nel caso della preparazione elettrolitica ossidativa, si verifica una reazione redox tra un componente del reagente, spesso H+/H2, e il solido, che spesso è metallico. Questa reazione avviene con una velocità di reazione più elevata a seconda dell'orientamento cristallografico (con l'incisione della superficie del grano) e della distorsione del cristallo (con l'incisione del bordo del grano). La composizione delle fasi porta anche a potenziali elettrochimici diversi e quindi a diverse velocità di ossidazione. Ciò provoca la formazione di rilievi, che diventano visibili al microscopio come contrasti di ombreggiatura.
 Con alcuni sistemi, ad esempio il reagente "Kalling 2", sul campione trattato si depositano metalli o sali ridotti. Questi possono essere rimossi con un batuffolo di cotone e solo allora la microstruttura diventa visibile. Il valore informativo di un processo di preparazione elettrolitica a struttura pura è limitato perché i meccanismi citati si sovrappongono e molte informazioni sull'orientamento dei grani non sono visibili. L'obiettivo primario è piuttosto legato alla determinazione della distribuzione granulometrica e della composizione di fase di alcuni materiali.
Ciò rende quasi impossibile lo sviluppo di metodi microscopici come la determinazione automatica dell'orientamento dei grani. Lo stesso vale, in una certa misura, per le disomogeneità. Va notato che le preparazioni elettrolitiche non metalliche possono essere rappresentate in modo affidabile con processi strutturali puri.
Questo può essere ben illustrato con l'esempio di un acciaio a bassa lega. La ferrite ha un potenziale più basso rispetto alla cementite o alla grafite, il che porta a un'ossidazione più rapida. I confini dei grani distorti vengono rimossi più lentamente e in questo caso formano aree sporgenti. A causa della struttura lamellare della perlite, questa fase provoca un'incisione omogenea in rilievo nel grano, che può essere riconosciuta da strisce grigio scuro. A seconda dell'orientamento del grano rispetto al piano di macinazione, queste strisce sono più o meno chiaramente visibili. In questo caso, il reagente tipico è il Nital o il reagente V2A.
Con diversi reagenti metallografici è possibile eseguire la cosiddetta preparazione elettrolitica a colori o a precipitazione. Questa tecnica fornisce maggiori informazioni microstrutturali ed è molto più difficile da eseguire in modo ripetibile.
Oltre all'attacco selettivo per fase e orientamento del reagente, si deposita uno strato appartenente al sistema redox. Questo strato ha uno spessore diverso, a seconda della velocità di reazione locale. Ciò porta a fenomeni di interferenza della luce incidente, che si manifestano in una decolorazione fortemente dipendente dall'orientamento delle superfici dei grani e che diventano visibili in luce polarizzata. Se il campione è sovra-inciso, l'interferenza scompare a causa dell'eccessivo spessore dello strato.
Una nota tecnica di colorazione metallografica applicata agli acciai di bassa lega è quella di Klemm. Per l'acciaio vengono applicati diversi reagenti colorati basati sulla formazione anodica di film di solfuro. Secondo Behara e LePera, i reagenti si differenziano per gli additivi e i supporti di solfito utilizzati. I diversi reagenti vengono scelti in base allo specifico sistema di leghe da analizzare.
I processi di colorazione sono molto comuni anche nelle applicazioni inorganiche-non metalliche, ad esempio per i clinker di cemento. I meccanismi di molti di questi processi non sono ancora stati completamente compresi. Tuttavia, spesso funzionano in modo affidabile per la quantificazione delle fasi.

_{AlFe10, matrice di alluminio Fcc con aghi di FeAl3, attacco elettrolitico con il reagente Barkers}

_{AlMg 4,5 attacco con soluzione al 7% di NaOH}

_{Acciaio austenitico V2A, con attacco Beraha 2}

_{Ottone alfa e beta, attacco con ferrinitrato acquoso al 10%.}

L'attacco elettrolitico nella metallografia

Come il processo chimico, l'incisione elettrolitica si basa sulla formazione di numerosi elementi galvanici sulla superficie del campione lucidato. In questo caso, è necessario applicare una tensione esterna al campione per forzare la reazione redox desiderata.

Oltre ai fattori sopra elencati, la conducibilità elettrica variabile localmente e la tensione/corrente impostata della cella elettrolitica influenzano la velocità di rimozione. Quando si utilizza una macchina per incisione metallografica automatica, anche la portata e la geometria della cella hanno un impatto sulla microstruttura visualizzata. I metodi elettrolitici mostrano solitamente tassi di rimozione più elevati rispetto ai metodi chimici, motivo per cui possono essere utilizzati anche come processi di lucidatura metallografica. Questo è il più grande vantaggio del processo, poiché la sostituzione delle fasi di lucidatura metallografica consente di produrre superfici completamente prive di deformazioni e di rivelare la vera microstruttura, cosa altrimenti impossibile.
La transizione tra i processi di lucidatura e incisione elettrolitica è determinata principalmente dalla densità di corrente applicata. I processi di incisione elettrolitica sono quasi esclusivi nel campo della metallografia. Essendo controllati automaticamente, offrono una maggiore riproducibilità rispetto a quelli puramente chimici. Sono comunque eseguiti manualmente e richiedono un livello di esperienza superiore. L'elettrolisi in metallografia può anche essere descritta come anodizzazione di un metallo. In genere, i metalli più nobili, o almeno equivalenti, sono collegati come catodi, mentre il campione funge da anodo.