Metallographie ist die Lehre vom Gefügeaufbau der Metalle. Allerdings bevorzugt man mittlerweile aufgrund der zunehmenden Anzahl von Verbundwerkstoffen sowie dem Aufkommen neuer Werkstoffe (Keramik/Metall-Systeme, Metall/Kunststoff-Systeme, etc.) die Bezeichnung „Materialographie“. Die Einsatzgebiete der Metallographie bzw. Materialographie liegen hauptsächlich in der Qualitätssicherung und Schadensfallanalytik sowie in Forschung und Entwicklung.
Metallographie beschreibt die Untersuchung der Mikrostruktur eines Werkstoffs, also seines Gefüges, das beispielsweise aus Körnern, Phasen, Einschlüssen und Defekten besteht. Diese Strukturen sind in der Regel nur unter dem Mikroskop sichtbar, bestimmen jedoch maßgeblich die Eigenschaften des Materials, etwa seine Festigkeit, Härte oder Korrosionsbeständigkeit. Auf dieser Seite erhalten Sie eine kurze Einführung in die wichtigsten Methoden der metallographischen Probenpräparation und erfahren gleichzeitig, warum die Metallographie ein unverzichtbarer Bestandteil von Forschung, Entwicklung, Prozesskontrolle und Schadensanalyse ist.
Die Mikrostruktur eines Werkstoffs wird sowohl durch seine chemische Zusammensetzung als auch durch die Art seiner Herstellung und Verarbeitung beeinflusst. Verfahren wie Gießen, Schmieden oder die anschließende Wärmebehandlung hinterlassen jeweils charakteristische Gefüge, die das Verhalten und die Eigenschaften des Materials prägen. Um diese Strukturen sichtbar zu machen, nutzt die Metallographie Methoden wie Licht- und Elektronenmikroskopie, je nachdem, wie detailliert die Mikrostruktur untersucht werden soll.
Obwohl metallographische Verfahren traditionell mit Metallen in Verbindung gebracht werden, lassen sie sich grundsätzlich auf alle Materialklassen anwenden. Im weiteren Sinne spricht man daher von Materialographie. Wird speziell die Mikrostruktur keramischer Werkstoffe untersucht, ist von Keramographie die Rede. Unabhängig davon, ob es sich um eine hochfeste Legierung für die Luft- und Raumfahrt, ein Polymer für medizinische Geräte oder einen keramischen Festkörperelektrolyten handelt, die Metallographie eröffnet den Blick ins Innere von Werkstoffen und ermöglicht ein besseres Verständnis der Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen.
Die Mikrostruktur eines Materials beeinflusst maßgeblich dessen mechanische, thermische und chemische Eigenschaften. Faktoren wie Korngröße, Phasenverteilung, Porosität oder Verunreinigungen bestimmen die Leistungsfähigkeit im praktischen Einsatz. Metallographie kommt immer dann zum Einsatz, wenn diese inneren Strukturen sichtbar gemacht, untersucht oder überprüft werden sollen. Dadurch ist sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug in Industrie und Forschung geworden. Zu den gängigen Anwendungsbereichen gehören unter anderem:
Egal ob in industriellen Anwendungen oder in der wissenschaftlichen Forschung, die Metallographie verbindet Herstellung, Weiterverarbeitung, Mikrostruktur und Eigenschaften miteinander und ist damit ein zentrales Werkzeug der Materialwissenschaft.
Das Ziel der metallographischen Präparation ist es, die reale Mikrostruktur eines Werkstoffes sichtbar zu machen. Nur eine gut präparierte Probe ermöglicht eine exakte Beurteilung ihrer Mikrostruktur. Während des Präparationsprozesses ist es wichtig, dass das Gefüge unverändert bleibt. Mechanische oder thermische Einflüsse wie übermäßige Kraft, Hitze oder unsachgemäße Handhabung können die Struktur des Materials verändern und zu Präparationsartefakten und damit verfälschten Ergebnissen führen. Während die genauen Präparationsparameter je nach Material variieren, folgt der allgemeine Präparationsablauf einer einheitlichen Reihenfolge.
Das Trennen des Werkstücks ist der erste Schritt bei der metallographischen Probenpräparation. Dabei wird eine repräsentative Probe aus dem Material zur Analyse entnommen. Dies geschieht in der Regel mit einer Trennmaschine, wobei die Wahl der Maschine und der Trennscheibe vom zu trennenden Werkstoff und der Größe des Werkstücks abhängig ist.
Unabhängig davon, ob die Probe aus einem großen Gussteil oder einem feinen Draht besteht, das korrekte Trennen ist für die nachfolgenden Präparationsschritte maßgeblich. Das Ziel ist es, den zu analysierenden Bereich mit möglichst geringem thermischem oder mechanischem Einfluss zu isolieren. Übermäßiger Wärmeeintrag, Vibrationen oder hoher Druck während des Schneidens können die Mikrostruktur in der Nähe der Schnittfläche verändern und die Analyse verfälschen. Deshalb kommen für unterschiedliche Materialien spezielle Trennscheiben zum Einsatz, die beispielsweise für Metalle, Keramiken, Polymere oder Verbundwerkstoffe ausgelegt sind.
Nach dem Trennen werden die Proben in der Regel in ein Polymerharz eingebettet. Das Einbetten ist besonders wichtig bei empfindlichen Geometrien, dünnen Beschichtungen oder kleinen Teilen, bei denen es beim Schleifen oder Polieren leicht zu mechanischen Beschädigungen kommen kann. Eingebettete Proben lassen sich außerdem einfacher und sicherer handhaben. Die einheitliche Probengröße der eingebetteten Proben ermöglicht außerdem den effizienten Einsatz von halb- oder vollautomatischen Präparationssystemen.
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei Einbettmethoden:
Warmeinbetten: Die Probe wird in eine Form mit einem thermisch aushärtenden Harz (z. B. auf Phenol- oder Epoxidharzbasis) gegeben und unter Hitze und Druck ausgehärtet. Diese Methode wird in der Regel für Probekörper verwendet, die erhöhten Temperaturen und Drücken standhalten können.
Kalteinbetten: Die Probe wird in ein flüssiges Harz eingebettet, das bei Raumtemperatur aushärtet. Diese Methode wird bevorzugt für temperaturempfindliche Materialien und poröse Proben verwendet. Während des Kalteinbettens wird keine externe Wärme in das System eingebracht, jedoch können während des Aushärtens Temperaturen von über 100 °C erreicht werden.
Die Wahl zwischen Warm- und Kalteinbetten hängt vom Material, der Geometrie der Probe und den spezifischen Anforderungen ab.
Warmeinbetten
Kalteinbetten
Für die mikroskopische Analyse ist eine kratzer- und artefaktfreie Oberfläche notwendig. Dies wird durch eine Reihe von Schleif- und Polierschritten erreicht, bei denen mit immer feiner werdenden Schleifmitteln nach und nach Material abgetragen und dabei Oberflächenverformungen entfernt werden.
Zunächst werden die Proben geschliffen, mit dem Ziel eine plane Oberfläche zu erreichen und die beim Trennen eingebrachte oberflächliche Verformungsschicht zu entfernen. Anschließend folgt das Polieren, bei dem deutlich feinere Schleifmittel in der Form von Diamant- oder Oxidsuspensionen verwendet werden. Nach dem Polieren soll eine vollständig kratzerfreie Oberfläche vorliegen, die für die Mikroskopie geeignet ist.
Das Schleifen und Polieren wird in der Regel auf manuellen oder automatisierten Präparationssystemen durchgeführt, bei denen die Probe gegen eine rotierende Oberfläche gedrückt wird. Die Wahl der Verbrauchsmaterialien (Papiere, Tücher und Suspensionen) hängt vom zu präparierenden Material ab. Beispielsweise erfordern weiche Metalle wie Aluminium andere Verbrauchsmaterialien als spröde Keramiken oder harte Stähle.
Häufig genügen bereits das Schleifen und Polieren, um eine Probe für die mikroskopische Analyse vorzubereiten. Wenn die polierte Oberfläche jedoch nicht ausreichend kontrastreich ist, kann die Probe mit einem Ätzmittel behandelt werden, um die Sichtbarkeit der mikrostrukturellen Merkmale zu verbessern.
Beim Ätzen wird die Oberfläche einer chemischen oder thermischen Behandlung unterzogen, die selektiv verschiedene Gefügemerkmale wie Korngrenzen, Phasen oder Verunreinigungen angreift. Diese kontrollierte Erosion verbessert den Kontrast und macht so die Mikrostriktur unter dem Mikroskop leichter erkennbar.
Die Wahl des Ätzmittels hängt vom Material und den zu untersuchenden spezifischen Merkmalen ab. Das Ätzen muss sorgfältig durchgeführt werden, da ein Über- oder Unterätzen wichtige Details verdecken oder Artefakte hervorrufen kann.
Die Wahl der Mikroskopietechnik hängt von der jeweiligen Fragestellung und der erforderlichen Vergrößerung ab. Bereits eine makroskopische Untersuchung mit bloßem Auge oder geringer Vergrößerung (bis etwa 10×) kann wertvolle Informationen liefern. Sie dient häufig der Überprüfung der Oberflächenqualität, von Schweißnähten, Rissen oder allgemeinen strukturellen Merkmalen und stellt einen wichtigen ersten Schritt bei der Fehleranalyse und Qualitätskontrolle dar.
Lichtmikroskopie
Die Lichtmikroskopie ist die am häufigsten eingesetzte Methode in der Metallographie. Mit reflektiertem Licht lässt sich die Mikrostruktur einer Probe bis zu 1000-fach vergrößern, wodurch Kornstrukturen, Phasen, Porositäten und Defekte sichtbar werden. Sie wird vor allem für Qualitätsprüfungen und routinemäßige Untersuchungen verwendet.
Rasterelektronenmikroskopie (REM)
Das REM ermöglicht deutlich höhere Vergrößerungen bei gleichzeitig großer Tiefenschärfe. Es eignet sich zur Analyse feinerer Merkmale und Bruchflächen und erlaubt in Kombination mit der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDS) auch die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung einer Probe. Eingesetzt werden kann das REM sowohl bei geätzten als auch bei ungeätzten Proben und ist insbesondere in der Forschungs- und Entwicklungsarbeit weit verbreitet.
Eine besonders aufwändige, im REM durchführbare Methode ist die Elektronenrückstreubeugung (EBSD). Sie ermöglicht die Abbildung kristallographischer Orientierungen über die Probenoberfläche hinweg. Die EBSD-Analyse liefert wertvolle Informationen zur Kornstruktur, Phasenidentifizierung und Materialtextur. Für diese Untersuchungen sind jedoch äußerst gut polierte, verformungsfreie Oberflächen erforderlich.
Neben bildgebenden Verfahren spielt die Härteprüfung eine wichtige Rolle in der Materialographie. Sie gibt Aufschluss über die Festigkeit und das plastische Verformungsverhalten eines Materials gibt. Sie wird häufig zusammen mit der Mikrostrukturanalyse eingesetzt, um ein besseres Verständnis der Materialeigenschaften zu erzielen.
Bei der Härteprüfung wird mit einem definierten Eindringkörper eine kontrollierte Kraft aufgebracht und anschließend der in der Probe entstandene Eindruck vermessen. Anhand der Größe oder Tiefe des Eindrucks wird ein Härtewert berechnet.
Es gibt verschiedene standardisierte Härteprüfverfahren beispielsweise nach Vickers, Knoop oder Brinell, die sich in der Geometrie des Eindringkörpers, der aufgebrachten Last und der Bewertung des Härteeindrucks unterscheiden. Für detailliertere Informationen zur Härteprüfung empfehlen wir die entsprechenden Seiten in unserer Wissensdatenbank
Die Metallographie umfasst weit mehr als das bloße Schleifen und Polieren von Proben. Sie ist ein zentrales Werkzeug zum Verständnis von Werkstoffen auf mikroskopischer Ebene. Die metallographische Probenpräparation - in der Regel bestehend aus Trennen, Einbetten, Schleifen, Polieren und gegebenenfalls Ätzen - ermöglicht eine gezielte Untersuchung der Mikrostruktur. In Verbindung mit geeigneten Mikroskopietechniken liefert die Metallographie entscheidende Erkenntnisse für Forschung und Entwicklung, Schadensanalyse sowie Qualitätssicherung und ist damit ein unverzichtbares Instrument der Materialwissenschaft.
Die Metallographie ist die Untersuchung der mikroskopischen Struktur von Werkstoffen. Sie umfasst in der Regel die Präparation einer Probe und deren Untersuchung unter dem Mikroskop. Auf diese Weise werden Details wie Korngröße, Phasen und Einschlüsse sichtbar, die entscheidend für das Verständnis der Eigenschaften und des Verhaltens eines Werkstoffs sind. Die Metallographie wird sowohl in der Industrie als auch in der Forschung für unterschiedliche Zwecke eingesetzt. Typische Anwendungen sind die Qualitätssicherung (Überprüfung, ob ein Werkstoff oder Bauteil korrekt verarbeitet wurde), die Schadensanalyse (Bestimmung der Ursache für Bruch oder Abbau eines Bauteils), die Werkstoffentwicklung (Gestaltung oder Verbesserung von Materialien durch das Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen) sowie die Überprüfung der Einhaltung von Werkstoffspezifikationen und Normen.
Die Präparation einer metallographischen Probe umfasst mehrere Schritte. Zunächst wird aus dem größeren Werkstück ein Teilstück entnommen, welches den zu untersuchenden Bereich enthält. Dieses wird anschließend in ein stabiles Medium (z. B. Harz) eingebettet, um die Handhabung zu erleichtern. Danach wird die Probenoberfläche mit Schleif- und Poliermitteln unterschiedlicher Körnung schrittweise bearbeitet, bis sie möglichst glatt und kratzerfrei ist. Häufig wird die polierte Oberfläche anschließend mit einer chemischen Lösung geätzt, um die Mikrostrukturen sichtbar zu machen. Sobald die Probe präpariert ist, kann sie unter dem Mikroskop untersucht werden.
Für die Metallographie ist eine Reihe spezieller Geräte erforderlich. Notwendige sind unter anderem Präzisionstrennmaschinen zum Heraustrennen der Probekörper, Einbettpressen zum Einbetten in ein Medium sowie Schleif- und Poliermaschinen mit passenden Schleifscheiben und Poliertüchern zur Präparation der Probenoberfläche. Für die Untersuchung werden anschließend Mikroskope eingesetzt: Lichtmikroskope für Routineanalysen und gegebenenfalls Rasterelektronenmikroskope (REM) für höhere Vergrößerungen und detaillierte Analysen. Wenn zusätzlich mechanische Eigenschaften von Interesse sind, kommt außerdem ein Härteprüfgerät zum Einsatz.
