Gefügeuntersuchung
Für das bloße Auge nicht zu erkennen, zeigen sich durch Gefügeuntersuchungen die mikroskopischen Strukturen, die für die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit entscheidender Materialien verantwortlich sind. Ob E-Motor oder Flugzeugkomponente – die entscheidenden Faktoren für Qualität und Sicherheit liegen in der Struktur der Materialien.
Inhaltsverzeichnis
Was ist eine Gefügeuntersuchung?
Die Gefügeuntersuchung ist ein wichtiger Teil der Materialwissenschaft und ein Analyseverfahren der Metallographie. Sie zählt zu den zerstörenden Werkstoffprüfungen zur quantitativen und qualitativen Analyse von Materialeigenschaften.
Gefügeuntersuchungen ermöglichen es, die Struktur und Zusammensetzung von Werkstoffen auf mikroskopischer Ebene zu untersuchen. Diese Informationen sind wichtig für das Verständnis der Materialeigenschaften und für die Entwicklung neuer Werkstoffe.
Wie unterscheiden sich die quantitative und die qualitative Gefügeuntersuchung?
Bei der quantitativen Gefügeuntersuchung steht die Beschreibung der Charakteristika einzelner Gefügebestandteile im Zentrum. Dazu gehören die messbaren Eigenschaften wie Form, Größe, Orientierung und Verteilung von Gefügebestandteilen. Die qualitative Analyse zielt darauf ab, tiefergehende Informationen über die Gesamtstruktur des Gefüges zu erhalten. Häufig wird dazu die Lichtmikroskopie herangezogen, die dazu dient, aus dem metallischen Schnitt Rückschlüsse auf das Gesamtvolumen eines Gefüges zu ziehen.
Die Gefügeuntersuchung eignet sich für verschiedene Materialien
Die Gefügeuntersuchung wird an einer Vielzahl von Materialien durchgeführt, insbesondere bei solchen, deren mikroskopische Struktur Einfluss auf ihre mechanischen, thermischen oder elektrischen Eigenschaften hat. Typische Werkstoffe sind Metall und Metalllegierungen, Keramik, Gläser, Polymere und Verbundwerkstoffe.
Gefüge – Was versteht man darunter?
Gefüge bezeichnen die innere Struktur und Zusammensetzung von Materialien. Das Gefüge eines Materials gibt also Auskunft über die mikroskopische Anordnung seiner Bestandteile. Die einzelnen Gefügebestandteile sind durch Korn- und Phasengrenzen voneinander getrennt. Diese Anordnung hat Einfluss auf die mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften eines Materials. Unabhängig vom Werkstoff beschreiben Gefüge den Aufbau und die Ordnung der Bestandteile auf sichtbarer und mikroskopischer Ebene.
Gefügetypen - Metall, Keramik, Polymer
In der Materialwissenschaft gibt es eine Vielzahl von Gefügetypen, die je nach Materialart variieren.
Bei Metallen und Legierungen finden wir etwa Kornstrukturen. Darunter versteht man kristalline Einzelbereiche, deren Größe und Anordnung sich aus der verwendeten Metallzusammensetzung ergibt. Außerdem beeinflusst der Herstellungsprozess des Werkstoffs die Gefügeeigenschaften: je nachdem, ob es sich um ein Schmiedestück, ein Gussstück oder ein additiv gefertigtes Bauteil handelt, verändern sich die Gefügeeigenschaften. Die Körner wachsen bei der Erstarrung der Werkstoffe aus der Schmelze und interagieren miteinander und mit Fremdbestandteilen wie Phasen und Verunreinigungen.
Die Bedeutung der Gefügeeigenschaften
Die Gefügeeigenschaften sind direkt mit den mechanischen und technischen Eigenschaften von Werkstoffen verbunden. Das bedeutet beispielsweise, dass sie wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit und Duktilität, also Verformbarkeit, des Materials haben: kleine Korngrößen führen zu einer höheren Festigkeit, während große Korngrößen zu einer höheren Duktilität führen. Sie sind aber nicht unveränderlich. Auch äußere Einwirkungen wie Korrosion, Wärmbehandlungsverfahren und mechanische Einflüsse, wie Schmieden, Biegen oder Walzen, haben Einfluss auf die Gefügestruktur.
Verschiedene Gefüge: Keramiken, Glas und Polymere
In Keramiken sind die kristalline Struktur und das Vorhandensein von Glasphasen von Bedeutung, während bei Glasmaterialien insbesondere die amorphen Strukturen und deren Homogenität untersucht werden.
Polymere hingegen weisen eine andere Gefügestruktur auf, die von der Kettenanordnung und Vernetzung der Moleküle abhängt. Bei Verbundwerkstoffen, einer Kombination aus zwei oder mehr Materialien, ist das Zusammenspiel der verschiedenen Mikrostrukturen und deren Grenzflächen entscheidend. Jedes dieser Gefüge bietet einzigartige Einsichten und trägt dazu bei, die Reaktion des Materials auf äußere Einflüsse wie Belastung, Temperaturänderungen und chemische Reaktionen zu verstehen.
Das verraten uns die Gefügestrukturen
Die Gefügestruktur gibt Auskunft über die spezifische Anordnung und Ausprägung der mikroskopischen Bestandteile innerhalb eines einzelnen Materials. Sie umfasst die detaillierte Betrachtung der inneren Aufteilung, wie die Anordnung der Körner, Phasenverteilung oder Porosität. Dadurch kann sie Aufschluss über die individuellen Charakteristika einzelner, spezifischer Proben geben. Bei einer metallischen Probe beispielsweise besteht die Gefügestruktur aus einzelnen kristallinen Gebilden, den sogenannten Körnern. Diese unterscheiden sich je nach Werkstoff und Bearbeitung in Form, Größe, Orientierung und weiteren Merkmalen. Zwischen den Körnern können sich Verunreinigungen und nichtmetallische Einschlüsse befinden, die ebenfalls Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften haben können.
Quality Analysis:
Ihre ganzheitliche Gefügeuntersuchung vom Experten
Wir überprüfen und beurteilen die Gefügestruktur Ihrer Probe hinsichtlich Korngrößen und Korngrenzen, vorhandener Porosität, intermetallischen Phasen sowie nichtmetallischer Einschlüsse und Phasen. Grundlage dieser Arbeiten ist eine ordnungsgemäße Probengewinnung und -präparation, für die uns die notwendige Ausstattung und Expertise zur Verfügung stehen. Bei Bedarf kombinieren wir die Gefügeuntersuchung außerdem mit weiteren Analysemethoden wie der Funkenemissionsspektroskopie, einer Härteprüfung oder mehr, um zu einem umfassenden und aussagekräftigen Ergebnis zu kommen.
Rasche und zuverlässige
Messergebnisse
- Präparation mit allen gängigen Verfahren
- Probengewinnung ohne Wärmeeintrag
- Bestimmung der Korngrößen und -grenzen
- Porositätsmessung
- Bestimmung intermetallischer Phasen
- Identifikation nichtmetallischer Einschlüsse und Phasen
- Nachweis von Seigerungen
- Analyse der Vergütungs- und Gefügezustände
Gefügeuntersuchung in der Metallographie
Am Anfang einer Gefügeuntersuchung steht die sorgfältige Vorbereitung der Probe. Die Präparation umfasst die Probeentnahme und das Zuschneiden auf eine handhabbare Größe sowie das Schleifen und Polieren des Werkstücks, um eine glatte Oberfläche zu erzeugen. Diese Oberflächenvorbereitung ist in der Metallographie entscheidend, um sicherzustellen, dass die mikroskopische Struktur des Materials klar und ohne Verzerrungen sichtbar ist.
Der wichtigste Schritt der Gefügeuntersuchung
Der Schleif- und Poliervorgang ist der wichtigste Schritt, denn durch das Polieren wird die makroskopische Rauheit der Schliffoberfläche so weit verringert, dass die Probe eine spiegelnde Oberfläche erhält und dadurch die mikroskopischen Gefügebestandteile im Auflichtmikroskop sichtbar werden. Der metallografische Schliff erfolgt in mehreren Schritten: Nachdem die Oberfläche plangeschliffen wurde, kommen Poliertücher oder -scheiben mit sehr feinen Abrasivstoffen, meist Diamant, Aluminiumoxid oder kolloidales Siliziumdioxid, zum Einsatz.
Die Gefüge im Mikroskop: Kontraste sichtbar machen
Für Makrostrukturen genügt in der Regel eine gröbere Schleifstruktur. Denn nach der Präparation und dem metallografischen Schliff erfolgt häufig ein Ätzprozess, bei dem Chemikalien auf die Oberfläche aufgetragen werden, um die verschiedenen Bestandteile des Gefüges hervorzuheben. Diese Ätzmittel reagieren unterschiedlich mit den verschiedenen Phasen oder Körnern im Material, wodurch Kontraste entstehen, die unter dem Mikroskop sichtbar werden.
Die Analyse: Gefügeuntersuchung mittels Licht- oder Elektronenmikroskop
Die eigentliche Untersuchung wird dann unter Verwendung von Mikroskopen durchgeführt, wobei Licht- oder Elektronenmikroskope wie Rasterelektronenmikroskope zum Einsatz kommen können – je nach erforderlicher Vergrößerung und Detailtiefe. Während der mikroskopischen Analyse werden Merkmale wie Korngröße, Form, Verteilung und mögliche Defekte wie Risse oder Einschlüsse bewertet. Dabei werden Gitterfehler, Strukturen und Bestandteile auf submikroskopischer Ebene bis in den atomaren Bereich sichtbar. Diese Informationen sind entscheidend für das Verständnis der mechanischen Eigenschaften des Materials sowie für die Identifizierung von Verarbeitungsfehlern oder Materialmängeln.
Die technische Ausstattung bei Quality Analysis
In unserem akkreditierten Prüflabor können wir für die Gefügeuntersuchung auf eine große Bandbreite an Licht- und Elektronenmikroskopen zurückgreifen, um auch kleinste Schadstellen oder Einschlüsse zu identifizieren. Zur Extraktion und Präparation stehen uns verschiedene Trennsysteme zur Verfügung, mit denen wir Präzisionsschnitte ohne Wärmeeinflusszone anfertigen können. Neben vollautomatischen Schleif- und Reinigungsprozessen besitzen wir die notwendige Expertise und Ausstattung, um Ihre Probe manuell zu polieren und zu ätzen.
Bestimmung der Korngröße mittels
Planimetrie, Linienschnittverfahren und Punktzählverfahren
Nach der Erzeugung mikroskopischer Bilder werden folgende Verfahren zur Analyse und quantitativen Auswertung der Daten eingesetzt. Zu den unterschiedlichen Analysemethoden und deren zweckmäßigem Einsatz beraten wir Sie gerne individuell.
1
Linienschnittverfahren
Beim Linienschnittverfahren wird auf Basis der hochauflösenden mikroskopischen Bilder Linien gezeichnet. Die Anzahl der Schnittpunkte dieser Linien mit verschiedenen Gefügebestandteilen wird dann gezählt und analysiert. Die Mikroskopie ermöglicht hier eine klare Visualisierung der Kornstrukturen und Phasengrenzen, was für eine genaue Analyse unerlässlich ist.
2
Flächenanteile
Um Flächenanteile verschiedener Gefügebestandteile genau zu bestimmen, wird das mikroskopische Bild der Probe analysiert. Die Vermessung der horizontalen Ausdehnung bezeichnet man als Planimetrie. Mithilfe von Mikroskopen, die oft mit Bildanalyse-Software ausgestattet sind, können spezifische Bereiche oder Phasen im Material identifiziert und ihre Flächenanteile präzise berechnet werden.
3
Punktzählverfahren
Beim Punktzählverfahren wird über das mikroskopische Bild der Probe ein Punktraster gelegt und die Berührungspunkte der Rasterpunkte mit bestimmten Gefügebestandteilen gezählt. Mikroskope, insbesondere solche mit digitaler Bildverarbeitung, sind für diese Art der detaillierten Analyse entscheidend.
Ziele der Gefügeuntersuchung
Die Gefügeuntersuchung ist ein entscheidendes Analyseverfahren, wenn es um das Verständnis und die Verbesserung von Materialien geht. Das Hauptziel ist es, detaillierte Einblicke in die mikroskopische Struktur eines Materials zu gewinnen. Dies umfasst die Untersuchung von Korngrößen, Phasenverteilung, Porosität und anderen mikrostrukturellen Merkmalen. Die Analyse ermöglicht es, zu verstehen, wie diese Mikrostrukturen die mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften eines Materials beeinflussen.
Materialfehler, Seigerungen und Verunreinigungen sichtbar machen
Ein weiteres Ziel ist die Identifizierung von Materialfehlern, wie Rissen, Einschlüssen oder Seigerungen, die die Leistung und Zuverlässigkeit des Materials beeinträchtigen können. Die Gefügeuntersuchung trägt auch wesentlich zur Qualitätskontrolle und zur Prozessoptimierung in der Fertigung bei, indem sie hilft, die Auswirkungen von Bearbeitungsprozessen wie Schmieden, Schweißen oder Wärmebehandlungen auf das Material zu verstehen.
Zudem spielt sie eine entscheidende Rolle in der Forschung und Entwicklung neuer Materialien, indem sie grundlegende Erkenntnisse über die Beziehungen zwischen der Mikrostruktur und den physikalischen Eigenschaften liefert, was für die Entwicklung fortschrittlicher Materialien mit spezifischen Eigenschaften unerlässlich ist.
Zusammenfassung: Die Gefügeuntersuchung
Die Gefügeuntersuchung ist ein Analyseverfahren, das mikroskopische Einblicke in die Eigenschaften der Materialien ermöglicht und somit zur Innovation und Sicherheit in vielen technologischen und industriellen Bereichen beiträgt.
