Erläuterung der Metallographie, Materialographie und metallurgischen Analyse

Was ist Metallographie – und warum ist sie wichtig?

In diesem Artikel beantworten wir Ihre wichtigsten Fragen zu diesem faszinierenden Feld. Sie werden die Unterschiede zwischen Metallographie, Materialographie und metallurgischer Analyse entdecken und erfahren, warum diese Unterschiede bei der Auswahl der richtigen Präparationsmethoden wichtig sind.

Wir untersuchen die Geschichte, Anwendungen und Analysetechniken, die in allen drei Disziplinen verwendet werden, und vermitteln Ihnen ein klareres Verständnis dafür, wie jeder Ansatz eine genaue und zuverlässige Materialbewertung unterstützt. Lesen Sie den vollständigen Artikel, um mehr darüber zu erfahren, wie Metallographie, Materialographie und metallurgische Analysen zur Qualitätskontrolle, Forschung und Innovation beitragen.

Was ist Metallographie?

Kurz gesagt kann die Metallographie als Wissenschaft und Kunst der Untersuchung des Mikrogefüges verschiedener Metalle und Metalllegierungen definiert werden. In der Metallographie wird die Oberfläche einer Metallprobe durch verschiedene Methoden – einschließlich Schneiden, Einbetten, Polieren und Ätzen – vorbereitet, um die Mikrostruktur des Metalls sichtbar zu machen. Diese Mikrostruktur wird dann analysiert, oft mit Hilfe der optischen oder Elektronenmikroskopie, um die mikroskopischen Eigenschaften des Metalls zu identifizieren. So kann der Metallograph Rückschlüsse auf die makroskopischen Eigenschaften des Materials ziehen.

Unterscheidet sich die Materialographie von der Metallographie? Die in der Metallographie verwendeten Techniken können auf eine Vielzahl von Materialien angewendet werden, einschließlich Keramiken und polymeren Materialien, weshalb die Begriffe Keramographie und Plastographie verwendet werden. Gemeinsam werden Metallographie, Keramographie und Plastographie als Materialographie bezeichnet. Obwohl die Materialographie der übergeordnete Begriff ist, wird der Begriff Metallographie häufiger verwendet.

Metallographische Techniken werden am häufigsten angewendet auf:

Metalle und Metalllegierungen, einschließlich Titan, Edelstahl, Eisen, Messing und andere Metallarten
Keramiken, einschließlich keramischer Beschichtungen
Polymere, einschließlich natürlicher und synthetischer Polymere
Beschichtungen, einschließlich thermischer Spritzbeschichtungen, nitrierter Beschichtungen und verzinkter Zinkbeschichtungen
Pulvermetallurgie
Mikroelektronik
Befestigungselemente, einschließlich Schrauben, Bolzen und Stiften
Additive Fertigung oder 3D-Druck

Was sind die Hauptanwendungen der Metallographie?

In einem Metall oder einem anderen Material bestimmt die Mikrostruktur viele wichtige makroskopische Eigenschaften, einschließlich Zugfestigkeit, Duktilität, Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Das Verständnis der Mikrostruktur des Materials ermöglicht es dem Metallographen daher, besser zu bestimmen, wie es sich in verschiedenen Situationen verhalten wird. Daher wird die Metallographie häufig in einer Vielzahl von Industriesegmenten eingesetzt, darunter in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Elektronik-, Fertigungs- und Metallverarbeitungsindustrie sowie in akademischen Situationen.

Zu den wichtigsten Anwendungen der Metallographie gehören:

Entwicklung, Analyse und Erprobung neuer Legierungen, Werkstoffe und Produkte
Entwicklung neuer Fertigungstechniken
Bauteilqualitätssicherung und Fehleranalyse produzierter Bauteile

Wann wurde die Metallographie erfunden?

Die erste Metallurgie stammt aus dem Jahr 7000 v. Chr., als der Mensch zum ersten Mal entdeckte, dass Feuer zur Formung von Metall beitragen kann. Die frühen Metallurgen wussten von sieben Metallen: Sie fanden Gold, Kupfer und Silber im Boden und erzeugten durch Schmelzen Blei, Eisen, Zinn und Quecksilber. Dennoch wurde die Metallographie erst in den 1800er Jahren als Studiengebiet entwickelt, als der britische Wissenschaftler Henry Clifton Sorby mit der Erforschung von hergestelltem Eisen und Stahl begann. Seine Arbeit zeigte den Zusammenhang zwischen der Mikrostruktur eines Metalls und seinen makroskopischen Eigenschaften.

Das mag jetzt offensichtlich erscheinen, aber damals war es eine revolutionäre Idee. Wie Henry Clifton Sorby gegen Ende seines Lebens sagte: "Wenn in diesen frühen Tagen ein Eisenbahnunfall passiert wäre und ich vorgeschlagen hätte, dass das Unternehmen eine Schiene aufnehmen und sie unter dem Mikroskop untersuchen lassen sollte, wäre ich als ein geeigneter Kandidat angesehen worden, um in eine Anstalt eingewiesen zu werden." Aber das ist es jetzt ..."

Seitdem hat sich die Metallographie rasant weiterentwickelt. Die moderne Metallographie verdankt viel Unternehmen wie DISA und Struers, die die ersten mechanischen Geräte für die Metallographie eingeführt haben, darunter die DISA Electropol und die Knuth-Rotor-Schleifmaschine. Heute sind vollautomatische materialographische Maschinen erhältlich, wie die Xmatic, die weltweit erste vollautomatische End-to-End-Lösung für Schleifen und Polieren.

Wie erfolgt die metallographische Probenvorbereitung?

In der Metallographie wird eine Materialprobe aufbereitet, um ihre Mikrostruktur sichtbar zu machen. Da das Ziel der metallographischen Verfahren darin besteht, die tatsächliche Mikrostruktur des Materials zu enthüllen, ist es entscheidend, dass der Prozess selbst die Mikrostruktur in keiner Weise beschädigt oder verändert. Das spezifische metallographische Verfahren variiert je nach Material. Der Prozess, der z. B. für ein Edelstahl-Autobauteil erforderlich ist, unterscheidet sich zwangsläufig von dem Prozess, der für eine Titanschraube, einen Kupferdraht, eine Eisenschweißnaht oder einen Mikrochip erforderlich ist. Die meisten metallographischen Verfahren folgen jedoch denselben grundlegenden Schritten.

Metallographisches Schneiden Der metallographische Prozess beginnt in der Regel mit dem metallographischen Schneiden. Das Bauteil wird mit einer speziell konstruierten metallographischen Trennmaschine und Trennscheibe geschnitten, um einen Querschnitt des Materials freizulegen. Bei großen Bauteilen, wie z. B. Stahlantriebswellen, wird das metallographische Trennen auch verwendet, um kleine Proben des Materials zu erstellen, die einfacher zu handhaben sind.

Die Trennscheibe wird für das Material ausgewählt: legiertes Weißguss benötigt zum Beispiel in der Regel eine kubische Bornitrid-Trennscheibe, während Kupfer in der Regel mit hartem Siliziumkarbid geschnitten wird.

Metallographisches Einbetten

Nach dem Trennen werden die meisten metallographischen Proben mit einer Einbettpresse in heißes oder kaltes Harz eingebettet. Das metallographische Einbetten hilft, die Schichten im Material zu erhalten und schützt zerbrechliche oder beschichtete Proben während der Präparation. Es ermöglicht auch eine sicherere und komfortablere Handhabung kleiner, scharfer oder unregelmäßig geformter Objekte.

Es gibt zwei metallographische Einbetttechniken: Heißkompressionseinbetten (auch Heißeinbetten genannt) und Kalteinbetten. Beide Einbettungstechniken bieten gewisse Vorteile, und der Metallograph entscheidet auf der Grundlage der Eigenschaften der Probe, der Anzahl der Proben und der erforderlichen Qualität.

Metallographisches Schleifen und Polieren (mechanische Präparation)

Am häufigsten wird dann die Oberfläche der eingebetteten metallographischen Probe durch Schleifen und Polieren für die mikroskopische Untersuchung vorbereitet. Diese beiden metallographischen Schritte werden gemeinsam als mechanische Präparation bezeichnet.

Metallographisches Schleifen und Polieren wird in der Regel auf speziell konstruierten Schleif- und Poliermaschinen durchgeführt, entweder manuell oder automatisch. Bei diesen Maschinen wird die Probe gegen eine schnell rotierende Scheibe gehalten, die die Oberfläche schleift oder poliert, um die darunterliegende Mikrostruktur freizulegen. Die Oberfläche der Scheibe wird an das spezifische Material angepasst. Weiche und duktile Werkstoffe wie Aluminium und Aluminiumlegierungen benötigen zum Beispiel eine ganz andere Schleif- oder Polieroberfläche als Gusseisen.

Metallographisches Ätzen Viele metallographische

Präparationsprozesse können nach dem Schleifen und Polieren stoppen. Einige Materialien und Anwendungen erfordern jedoch einen zusätzlichen metallographischen Prozessschritt: das Ätzen. Metallographisches Ätzen ist ein chemischer Prozess, bei dem die Oberfläche der Probe mit einer ätzenden Chemikalienmischung behandelt wird, um die optischen Eigenschaften der Korngrenzen, Phasen oder Kornoberflächen im Material sichtbar zu machen oder zu verbessern. Ziel ist es, diese Eigenschaften bei der mikroskopischen Untersuchung sichtbarer zu machen.

Neben dem metallographischen Ätzen können im Mikroskop spezielle optische Filter eingesetzt werden, um den Kontrast zwischen den verschiedenen mikrostrukturellen Eigenschaften des Materials weiter hervorzuheben.

Elektrolytische Präparation

Mechanisches Schleifen und Polieren kann die Oberfläche des Materials verformen. Daher bevorzugen Metallographen möglicherweise die Verwendung einer elektrolytischen Präparation. Dies ist jedoch nur bei bestimmten Materialien und in bestimmten Anwendungen möglich. Bei der elektrolytischen Präparation wird die Probe als Anode in einem geeigneten Elektrolyten konfiguriert. Die Oberfläche des Materials wird durch kontrollierte Auflösung entfernt, wodurch die darunterliegende Mikrostruktur sichtbar wird. Anschließend kann ein elektrolytisches Ätzen durchgeführt werden, um Kontraste in der Mikrostruktur unter dem Mikroskop hervorzuheben.

Wie wird eine Probe nach der metallographischen Präparation analysiert?

Nach der metallurgischen Präparation wird die Mikrostruktur des Probenmaterials sorgfältig untersucht und analysiert. Die aus dieser Analyse gewonnenen Informationen ermöglichen es dem Metallographen, Schlussfolgerungen über die Eigenschaften des Materials zu ziehen, einschließlich seiner Festigkeit, Duktilität und Leitfähigkeit.

Metallographische Untersuchung Je nach Anwendung und Material kann es ausreichen, die Probe mit dem bloßen Auge zu untersuchen (Makroskopie). In den meisten Fällen verwenden Metallographen jedoch die Mikroskopie (optische oder digitale Vergrößerung), um das Gefüge besser zu beurteilen.

Mit der optischen Mikroskopie kann das Gefüge bis zu 1.000-fach vergrößert werden.
Die Elektronenmikroskopie kann bis zu 500.000 Mal vergrößern und wird hauptsächlich für metallurgische Fehleranalysen und Bildungszwecke eingesetzt.

Was ist die metallographische Härteprüfung? Die Härteprüfung ist eine wichtige Komponente in vielen metallurgischen und metallographischen Laboren. Sie hilft bei der genauen Bestimmung der Härte eines Materials, was wichtige Einblicke in seine Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Duktilität gibt.

Bei der Prüfung wird ein speziell geformter Eindringkörper in die Oberfläche des Materials gedrückt und die Größe oder Tiefe des resultierenden Eindrucks gemessen.

Es gibt mehrere metallographische Härteprüfstandards, darunter Vickers, Knoop und Brinell. Alle benötigen spezialisierte, kalibrierte Härteprüfmaschinen, um genaue und reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten.