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Metallographie:
Proben präparieren und Gefüge analysieren


Was ist Metallographie?

In der Metallographie (oder auch Metallografie) werden Werkstoffe untersucht. Denn das Ziel der Metallographie ist, das Gefüge metallischer Werkstoffe qualitativ und quantitativ zu beschreiben. Also Größe und Form sowie die Verteilung der Gitterbaufehler und Phasengrenzen. Die Metallographie bzw. Materialographie ist ein wichtiger Bestandteil in der Schadensfallanalytik, bei der Qualitätssicherung und in Forschung und Entwicklung. Die Metallographie ist ein Bereich der Metallkunde.

Wie aus der Metallographie die Materialographie wurde

Der heutzutage verwendete Begriff der Materialographie ist eine sachliche Erweiterung der Metallographie. Die Metallographie wurde bereits mit dem Zeitalter der Mikroskopie und dem ersten Betrachten von Schliffbildern ins Leben gerufen. Mittlerweile werden aber auch viele andere Werkstoffgruppen wie zum Beispiel Keramik, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe in gleicher Weise untersucht. Aufgrund der Ausdehnung des Anwendungsspektrum entwickelte sich die Materialographie.

Probenpräparation in der Metallographie

Damit feste Werkstoffe bzw. Materialien makroskopisch oder mikroskopisch untersucht werden können, müssen sie zunächst sachgerecht materialographisch präpariert werden. Die Grundlagen für eine materialographische Probenpräparation liegen in Physik und Chemie begründet. Die exakte Vorgehensweise richtet sich nach den Werkstoffkenndaten. Diese sowie die Eigenschaften, Zusammensetzung und der Wärmebehandlungszustand des zu untersuchenden Materials müssen bekannt sein.

Links zur Metallographie

 

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Detail-Überblick: Metallographische Probenpräparation

Das Präparieren geschieht mittels einzelner Präparationsschritte. Je nach Probenanforderung gilt es, im jeweiligen Schritt das zielführende Verfahren auszuführen und Fehler zu vermeiden. Die folgende Grafik veranschaulicht die Zusammenhänge.

Probenpräparation in der Metallographie

Metallographische Probenpräparation im Überblick

Präparationsschritte im Ablauf

1. Schritt in der Probenpräparation

Klassische Schritte bzw. Phasen der Probenpräparation: Probenentnahme bzw. Trennen, Probenfixierung, Schleifen, Polieren und Ätzen. Beim abschließenden Mikroskopieren, das nicht zur eigentlichen Präparation zählt, wird das sogenannte Gefüge der Probe analysiert.

2. Die Entscheidung für ein geeignetes Verfahren

Es gibt hier keine Faustformel, da die Werkstoffauswahl enorm groß ist. Die Antwort gibt jedoch die Probe selbst: Ist sie beispielsweise sehr porös, bietet sich das Vakuuminfiltrieren mit entsprechenden Gießharzen an. Ist sie hingegen aus Titan empfiehlt sich eine Nasstrennschleifscheibe auf SiC- Basis. Das Wissen um die Werkstoffkenndaten der zu präparierenden Probe ist immer die Basis. Viele Werkstoffe können in Gruppen eingeteilt werden, was die Suche nach dem richtigen Verfahren erleichtert.

3. Das anzuwendende metallographische Verfahren

Die Grundlagen für eine metallographische Probenpräparation liegen im Fachwissen der Physik und Chemie. Man sollte sich der Werkstoffkenndaten bewusst sein, ihrer Eigenschaften, Zusammensetzung, Einsatzgebiete und Wärmebehandlungszustand. Nur auf dieser Basis kann das richtige Verfahren Anwendung finden.

4. Mögliche Fehler bei der Probenpräparation

Mögliche Fehler bei der Probenpräparation wie sie in den Schritten immer wieder auftreten können:

  • Gefügestrukturveränderungen
  • Abplatzungen von Beschichtungen
  • Herauslösen von Phasen
  • Verformungen
  • Bildung von Rissen
  • Kratzer und Riefen
  • Verschmierungen
  • Korrosion
  • uvm.

5. Know-how

Nur mit dem entsprechenden Know-how und bei korrekter Auswahl des Verbrauchsmaterials und der Präparationsparameter können Fehler vermieden werden. Und Artefakte als solche erkannt werden.

6. Alles ok? Die Qualitätskontrolle

Wurde alles richtig gemacht? Wurde die Probe absolut artefaktfrei präpariert? Wurde nach jedem Schritt kurz kontrolliert, ob alle angewendeten Schritte in Ordnung waren? Nur dann geht es weiter beim nächsten Schritt.


Trennen in der Materialographie

Die Präparationsphase Trennen in der Metallographie. Hier mit Wasserkühlung.


Unabdingbar bei der Materialographie:
Kompetenz und Erfahrung. Ein Beispiel

Die Präparation von Proben braucht Know-how und Erfahrung. Führen Sie Präparationen immer systematisch und reproduzierbar durch. Nur dann haben sie die Gewissheit eines optimalen Resultats zu niedrigsten Kosten. Das folgende Beispiel soll dies verdeutlichen:

Die Probenanforderung

Ein zu untersuchender Werkstoff bzw. eine Materialprobe wurde einer Wärmebehandlung, zum Beispiel dem Aufkohlen, unterzogen. In der Zeichnungsvorschrift ist ein bestimmter Wert angegeben: Aufkohlungstiefe 0,8 bis 1,3 mm, ohne Rest Austenit. So hat der Anwender Werte, die er überprüfen muss. Er muss die Probe nun so vorbereiten, dass der zu untersuchende Oberflächenbereich bei der Probenentnahme nicht verändert wird. Die Probenentnahme muss daher mit ausreichender Wasserkühlung stattfinden. Gekühlt kann die Materialprobe beim Trennvorgang nicht durch eine zu hohe Temperatur geschädigt werden.

Nach erfolgreichem ersten zum zweiten Schritt

Hat der Anwender bei der Probenentnahme alles beachtet, kann er den nächsten Schritt beginnen - das Einbetten. Hierzu kann er die Probe entweder kalteinbetten oder warmeinbetten. Hierbei gilt es folgendes zu beachten:

a.) Das Kalteinbetten kann ohne Probleme angewendet werden. Eventuelle Spaltbildung, fehlende Randschärfe oder ein zu weiches Einbettmittel könnten jedoch nachteilig sein.

b.) Beim Warmeinbetten muss der Metallograph unbedingt auf die Temperatur achten: Bei einer Temperatur über 180°C kann sich unter Umständen in der aufgekohlten Schicht der evtl. vorhandene Restaustenit zu Martensit umwandeln.

Die richtige Temperatur

Durch diese Umwandlung kann die Probe nach den weiteren Untersuchungen in Ordnung sein, jedoch die anderen Bauteile nicht. Deshalb muss die Temperatur bei der Warmeinbettung möglichst kleiner 180 °C sein. Die meisten Warmeinbettmittel können auch bei Temperaturen von 150°C eingesetzt werden. Denn die Zeichnungsvorschrift gibt ja vor: Kein Restaustenit.

Zum abschließenden Schleifen und Polieren

So der der Anwender alles beachtet hat, kann er die Probe nun schleifen und polieren. Eine kurze Anätzung der polierten Probe lässt dann im Normalfall die aufgekohlte Zone erkennen. Hieran kann dann Mittels einer Mikrohärteprüfung die Tiefe der Aufkohlung nach DIN kontrolliert werden.


Analyse in der Metallographie

Die Gefüge Analyse

Nach erfolgreicher Probenpräparation kann das Gefüge mikroskopisch untersucht werden. Die mechanische Präparation stellt hierbei das gängigste Verfahren dar. Das Prinzip beruht darauf, dass zum Materialabtrag von der Oberfläche Schleifpartikel in immer feineren Korngrößen angewendet werden. Bis das gewünschte Ergebnis vorliegt.

Die zu erzielende Qualität richtet sich nach dem Anwendungszweck. Nicht immer braucht das wahre Gefüge in höchster Vollendung vorzuliegen. Oft genügt ein zufriedenstellendes Ergebnis, das für die nachfolgende Untersuchung (zum Beispiel eine Härteprüfung) genügt.


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