Von Julia und Jan
Untersuchungsmethoden – Metallografie
Makroskopische Methoden
Ätzverfahren: Man unterscheidet typischerweise zwischen den zwei Angriffsformen Korngrenzen- und Kornflächen-Ätzung. Bei der Korngrenzen-Ätzung werden die Korngrenzen geätzt. Dadurch entstehen sichtbare Furchen. Bei der Kornflächen-Ätzung wird durch die Ätzung die Oberfläche aufgeraut und das einfallende Licht diffus reflektiert. Dadurch werden die Flächen sichtbar.
Quelle: Vgl. Werkstoffprüfer- Blog; https://xn--werkstoffprfer-blog-gbc.de/?tag=korngrenzenaetzung
Abdruckverfahren: Ein typisches Verfahren ist der Baumann-Abdruck, bei dem Schwefel und dessen Verteilung im Stahl nachgewiesen werden sollen. Dafür wird mit Schwefel oder Salzsäure getränktes Fotopapier auf die Probe gelegt. Auf dem Testpapier wird nun schwarzes Silbersulfid an den schwefelhaltigen Stellen des Stahls sichtbar. Häufig gibt es eine erhöhte Konzentration im Kern.
Mikroskopische Methoden
Lichtmikroskopie: Bei der Lichtmikroskopie unterscheidet man zwischen Hell- und Dunkelfeldmikroskopie. Bei der Hellfeldmikroskopie hebt sich der das Präparat dunkel von einem hellen Hintergrund ab. Bei der Dunkelfeldmikroskopie ist dies genau andersherum. Dies geschieht aufgrund von reflektiertem Licht. Es ist eine 1000-fache Vergrößerung des Präparats möglich. Z. B.: Gefüge werden sichtbar.
Raster-Elektronen-Mikroskopie (REM): Von der Elektronenkanone wird ein Elektronenstrahl emittiert, der von ringförmigen Elektromagneten gebündelt wird und dann auf die Probe trifft. Der Strahl schlägt nun selbst Elektronen aus der Probe, die durch einen Detektor aufgefangen werden. Der feine Elektronenstrahl tastet nun die Probe ab, indem der Strahl mittels Elektromagneten bewegt wird. Durch das Scannen wird ein hochauflösendes, vergrößerndes Bild erzeugt. Je kleiner die gescannte Fläche, desto höher ist die Vergrößerung. Das Bild kann wie hier beschrieben durch Sekundärelektronen mittels eines SE-Detektors oder durch Rückstreuelektronen mittels eines BSE Detektors erzeugt werden. Bei dem REM ist eine 100.000-fache Vergrößerung möglich. Z. B.: Ausscheidungen werden sichtbar.
Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (TEM): Von der Kathode werden Elektronen zur Anode beschleunigt. Durch eine elektromagnetische Linse werden die Elektronen gebündelt. Durch eine aufwändige Präparation der Probe ist es möglich, dass die Elektronen die Probe durchqueren. So wird die Probe schlussendlich durch einen Leuchtschirm sichtbar und sie kann fotografisch festgehalten werden. Durch das TEM ist eine 1.000.000-fache Vergrößerung möglich. Z. B.: Versetzungen werden sichtbar.
Quelle: Vgl. Leifi; https://www.leifiphysik.de/quantenphysik/quantenobjekt-elektron/ausblick/transmissions-elektronen-mikroskop-tem
Grundlagen der Wärmebehandlung
Wärmebehandlung (DIN EN 10052):
Beinhaltet eine Folge von Wärmebehandlungsschritten, in deren Verlauf ein Werkstück ganz oder teilweise Zeit-Temperatur-Folgen unterworfen wird, um eine Änderung seines Gefüges und/oder seiner Eigenschaften herbeizuführen.
Bei einer Wärmebehandlung von Stahl können zum einen fertigungsorientierte Verfahren (Glühverfahren) und zum anderen beanspruchungsorientierte Verfahren angewandt werden.
Die Ziele jeglicher Wärmebehandlungen sind die Festigkeit/Härte zu beeinflussen. Außerdem soll die Bearbeitbarkeit (Zerspanen, Umformen), Verschleißbeständigkeit und der Korrosionswiderstand erhöht werden. Zusätzliche Möglichkeiten der Wärmebehandlung bestehen in der Kombination von Eigenschaften der Materialien oder örtlichen Anpassungen dieser.
Ablauf einer Wärmebehandlung:
Grundsätzlich lässt sich eine Wärmebehandlung in drei Teilschritte namens Erwärmen (auf Solltemperatur), Halten (auf Solltemperatur) und Abkühlen zusammenfassen. Die Dauer der Erwärmung hängt im Wesentlichen mit dem Bauteildurchmesser, der Form und der Legierungszusammensetzung zusammen. Zu hohe Aufheizgeschwindigkeiten können Spannungen innerhalb des Bauteiles zur Folge haben. Aus diesem Grund muss die Aufheizgeschwindigkeit auf die Werkstückdicke und den Werkstoff abgestimmt sein, gleiches gilt auch für die Abkühlgeschwindigkeit (Abkühldauer) (vgl. https://doi.org/10.1007/3-540-27402-2_9). In der Haltephase wird das Werkstück konstant bei der Solltemperatur gehalten. Der Haltevorgang dient dem Temperaturausgleich im Werkstück und der Gleichgewichtseinstellung im Werkstoff. Die benötigte Dauer wird Haltezeit genannt und ist abhängig vom Bauteildurchmesser, der Geschwindigkeit während des Erwärmens und der Qualität des Werkstoffes (vgl. http://wiki.arnold-horsch.de/index.php/Grundlagen_der_W%C3%A4rmebehandlung ).
Diffusionsgesteuerte Abkühlung:
Diese Art der Abkühlung wird durch die diffusionsabhängige Keimbildung und das Keimwachstum möglich. Die Vorstufe hierbei ist die Bildung sogenannter Embryos. Diese Embryos entstehen aufgrund von thermischen Schwankungen. Während des Abkühlprozesses schwankt das Wachstum und die Wiederauflösung dieser Embryos. Wird ein kritischer Wert erreicht, spricht man von Keimen. Ist ∆G negativ, so können die Keime weiter wachsen und die kritische Phasenumwandlung ist eingeleitet.
Perlitreaktion:
Während der diffusionsgesteuerten Umwandlung kommt es zur perlitischen Reaktion. Bei dieser Reaktion findet eine heterogenen Keimbildung an den Gitterstörstellen statt. Durch den Prozess der diffusionsgesteuerten Abkühlung kommt es zum Wachstum des Kristallgemisches Perlit, das aus α-Fe (Ferrit) und Fe3C-Lamellen (Eisenkarbid Zementit) besteht. Die entstandenen Phasen weisen danach große Unterschiede im Kohlenstoff Gehalt auf. Perlit selbst besteht im Mittel aus 0,8 % Kohlenstoff.
Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit:
Wird die Abkühlgeschwindigkeit erhöht, kommt es zu einer starken Unterkühlung mit einer niedrigeren Umwandlungstemperatur. Dies sorgt für eine Verschiebung der Umwandlungslinien hin zu tieferen Temperaturen, wodurch es zu einer Aufspaltung des Perlitpunktes kommt. Da die Diffusion eingeschränkt ist, entstehen eine Vielzahl von Keimstellen, welche ein feines perlitisches Gefüge zur Folge haben. Je nachdem um wie viel Kelvin pro Sekunde der Werkstoff heruntergekühlt wird, entstehen unterschiedliche Gefüge. Bei 0,1 K/s spricht man von breit streifigem Perlit und bei 1-40 K/s von fein streifigem Perlit. Wird mit 40-200 K/s abgekühlt, handelt es sich um Sorbit und bei einer Abkühlgeschwindigkeit von 200-500 K/s um Torsit.
Mit steigender Abkühlgeschwindigkeit nimmt zusätzlich der Abstand zwischen den Lamellen ab, wodurch die einzelnen Gefüge an Härte gewinnen.
Glühverfahren
Diffusionsglühen: Mit dem Diffusionsglühen werden lokale Konzentrations- und Gefügeinhomogenitäten im Stahlformguss beseitigt bzw. vermindert.
Grobkornglühen: Mit dem Grobkornglühen werden Zerspanungseigenschaften bei kohlstoffarmen Stählen verbessert
Normalglühen: Mit dem Normalglühen werden ausgeprägte Zustandsänderungen, entstanden durch die Vor- und Wärmebehandlung von Stählen, beseitigt und ein feinkörniges, gleichgewichtsnahes Gefüge erzeugt.
Weichglühen: Mit dem Weichglühen wird die Härte von untereutektoiden Stählen mit Kohlenstoffgehalten > 0,5 Masse-% auf einen vorgegebenen Wert vermindert und die Zerspan- und Kaltumformbarkeit verbessert.
Spannungsarmglühen: Mit dem Spannungsarmglühen werden Makroeigenspannungen von Stählen abgebaut sowie Mikroeigenspannungen reduziert.
Rekristallisationsglühen: Mit dem Rekristallisationsglühen werden bei kaltverformten Stählen erzwungene Zustandsänderungen möglichst weitgehend wieder abgebaut, sodass neue feinkörnige Gefüge gebildet werden. Dadurch wird die Umformbarkeit wiederhergestellt und ggf. die Korngröße bei nicht umwandelbaren Werkstoffen geändert.
Quelle: Vgl. Macherauch E., Zoch H., Praktikum in Werkstoffkunde, 11. Aufl., S. 203 – 208.