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Aufgaben der Werkstoffprüfung

1. Makroskopische Verfahren
2. Licht - Mikroskopische - Verfahren
2. 1. Vorbereitung zur Lichtmikroskopie (schleifen und polieren)
2. 2. Vorbereitung zur Lichtmikroskopie (ätzen)
2. 3. weitere lichtmikroskopische Untersuchungen (Korngrößenbestimmung)
2. 4. weitere lichtmikroskopische Untersuchungen (Mikrohärteprüfung)
2. 5. Beispiel einer lichtmikroskopischen Untersuchung
Fragenkomplex Metallographie
3. Rasterelektronenmikroskopie
4. Rasterkraftmikroskopie

 

Aufgaben der Werkstoffprüfung

  1. Ermittlung von Kennwerten der Werkstoffeigenschaften
    (für Forschung, Konstruktion, Technologie, Fertigung)
  2. Ermittlung und Aufklärung von Schadensfällen
    (Ziel: Verhütung derselben)
  3. Begleitung der Werkstoffentwicklung sowie des wirtschaftlichen
    Wekstoffeinsatzes

Hauptgruppen der WP - Verfahren

- mechanische -> statische (ruhende, stetig ansteigende Bel. ) -> Zugversuch
-> dynamische (schlagartige,wechselnde " ) ->Kerbschlagbiegev.

  keine Berechnungskennwerte;
-technologische Prüfung des Verhaltens bei Fertigung, Funktion (rissfrei)
  -> Hin - und Herbiegeversuch, Tiefziehversuch

  Oberflächenrisse -> Penetrirverfahren; magnetische Prüfverfahren
-zerstörungsfreie Ultraschallà Durchschallungs-, Impuls-Echo-Verfahren
  Durchstrahlungsverfahren ->Röntgen-, Gamma-Durchstrahlung

 -chem.,phys.,techn. -> 5 - Analyse ( C, Mn, Si, P, S im Stahl)
-> Klangprobe

-metallographische ->  makroskopische Untersuchung
-> mikroskopische Untersuchung .


1. Makroskopische Verfahren
Die Ergebnisse sind mit bloßem Auge sichtbar oder sind nur wenig vergrößert.
Sie liefern:
- Anhaltspunkte über Gefügeaufbau
- Aufschluß über Art und Verteilung bestimmter Gefügebestandteile

Durch Ätz- oder Abdruckverfahren (chemische Reaktionen an der Oberfläche) Sichtbarmachen von:

- Wärmebehandlungszonen, Schweißnähten, Schichtbildungen
- Primärkristallisation in Gußteilen; Verteilung von Seigerungen
- Rekristallisationsgefüge; Faserverlauf verformter Teile


Typische Makroätzmittel:

nach Adler, Frey Oberhoffer, Baumannabdruck (Bargel, Seite 132)
Ätzung nach Adler
Ätzung: 10%ige alk. Salpetersäure


2. Licht - Mikroskopische - Verfahren
Beispiel: Einsatz der Metallmikroskopie

Gerät: Auflichtmikroskop
Die Probe liegt dem Objektiv gegenüber (Seidel, Seite 348)

Vergrößerung ...1000 : 1 (durch Hilfsmittel auch )
Auflösungsvermögen der Wellenlänge Lambda des Lichtes etwa 0.3 µm begrenzt
(kleinster Abstand zweier Punkte, die noch getrennt wahrnehmbar sind)
Auflichtmikroskop
schematische Darstellung


2.1. Vorbereitung zur Lichtmikroskopie (schleifen und polieren)
Erforderlich ist die Herstellung von Schliffproben
Probe (ca. 1 cm³) sägen - dabei reichlich kühlen
 
  naßschleifen - grob bis fein; 90°Drehung
 
  polieren
 

mechanisch
elektrolytisch
von Hand
Vibrationspolieren

mit Tonerde (Aluminiumoxid)
oder Diamantsuspension auf
Polier(filz)tüchern

- Anlegen einer Spannung
- Lösung des Metalls
- Reaktionsprodukt = Schicht
   mit hohem elektr. Widerstand


Naßschleif- und Poliergerät
Einebnen durch elektrolyt. Polieren
- Oberfläche ungleichmäßig
- dünne Schichten ->Stromstärke
   u. Ablösungsgeschwindigkeit
- Glättung der Oberfläche

2.2. Vorbereitung zur Lichtmikroskopie (ätzen)

Ätzen:

Um ein Gefüge sichtbar zu machen, muß das zu untersuchende Material
naßgeschliffen, poliert und geätzt werden. Das Ätzmittel richtet sich nach der Zusammensetzung des betreffenden Materials und der Zielrichtung der Untersuchung.
Korngrenzen-
Kornflächenätzen
Kupfer-Zink-Legierung
Kupfer-Zinn-Legierung
Bekannte Mikroätzmittel:
Nital (verdünnte Salpetersäure), Königswasser (Salzsäure u. Salpetersäure) in Glyzerin, V2A-Beize, Villela-Ätzmittel, Flußsäure usw.
Lit.: Bargel/Schulze S.132, Seidel, S. 354

2. 3. weitere lichtmikroskopische Untersuchungen (Korngrößenbestimmung)

Korngrößenbestimmung
zur Ermittlung der Festigkeit des Werkstoffes

Die Korngrössenbestimmung kann durch Richtreihen, Berechnung mittels Kreis- (mittlere Korngrösse) - bzw. Linienverfahren (mittlerer Korndurchmesser) oder Bildauswertung mit entsprechenden Computerprogrammen durchgeführt werden. Hat man die Kornnummer ermittelt,kann man sie entsprechend zuordnen,
z.B. KN 12 -15 = feines Korn oder KN 8 = grobes Korn

Linienverfahren
Kreisverfahren
             l x p x 10³
KDm =    n x m
                  Ak x 10
Am =   (0.67 x n + z) M²



2. 4. weitere lichtmikroskopische Untersuchungen (Mikrohärteprüfung)
Die Mikrohärte ist eine fast zerstörungsfreie Prüfmethode zur Be-stimmung der Oberflächenhärte und findet bei 400 bis 500-facher Vergrösserung statt.
Sie wird hauptsächlich bei metallischen, aber auch bei polymeren Werkstoffen, Hölzern, Lacken, Beschichtungen usw. angewandt.
Die zu prüfenden Materialien müssen hochpolierte (bei metallischen Werkstoffen) bzw. planflächige riefenfreie Oberflächen besitzen.
Die Mikrohärteprüfung hat den Vorteil, dass einzelne Gefügekörner, dünne Schichten und interferenzmikroskopisch differenzierte Polymerbereiche erfasst werden können.

Eine Methode der Mikrohärteprüfung ist die Vickershärteprüfung.

Hier wird der Eindruck durch eine Diamantpyramide erzeugt und optisch
ausgemessen. Die Prüfkraft F liegt zwischen 2 und 0.005 N. Die Pyra-mide hat einen Spitzenwinkel von 136°, der Eindruck ist quadratisch.
Die Diagonalen werden ausgemessen und daraus der Härtewert ermittelt.

2. 5. Beispiel einer lichtmikroskopischen Untersuchung

Metallographische Unters. an 4 Proben eines Stahles C 45

Die Gefügebilder zeigen die Wirkung der Abschreckmedien auf das Gefüge. Die Proben eines Stahles C 45 wurden 30 - 50° C über der
GOS - Linie (EKD) erwärmt und anschliessend verschieden abgekühlt bzw. abgeschreckt.

Fragenkomplex Metallographie

  1. Metallographische Untersuchungen liefern keine charakteristischen Werkstoff-
    kenngrößen. Weshalb besitzen diese aufwendigen Laboruntersuchungen trotzdem wesentliche technische Bedeutung ?

  2. Wie wird eine Probe für eine Metallographische Untersuchung entnommem ( am
    Beispiel einer Kurbelwelle) ?

  3. Was ist der Unterschied zwischen Makro- und einer Mikrountersuchung

  4. Welche typischen Makroätzmittel gibt es und welches verwendet man z. B. für die
    Sichtbarmachung einer Schweißnaht?

  5. Nennen Sie die Hauptarbeitsgänge für die Vorbereitung einer Probe für eine Betrachtung mit dem Auflichtmikroskop (LiMi) und warum sind sie notwendig ?

  6. Wann und warum sieht man das Gefüge (z.B.eines Metalls) in einem Auflicht-
    mikroskop?

  7. Worin unterscheiden sich Korngrenzen- und Kornflächenätzung ?

  8. Welche Bedeutung hat die Korngrößenbestimmung ?

  9. Erläutern Sie den Zusammenhang von Korngröße und Festigkeit eines Werkstoffes

  10. Wozu dient die Mikrohärteprüfung und nach welcher Methode wird geprüft ?


3. Rasterelektronenmikroskopie

Funktionsprinzip:

Im Rasterelektronenmikroskop wird unter Vakuum die zu untersuchende Probe mit einem etwa 5x10 nm Durchmesser gebündelten Elektronenstrahl zeilenförmig abgerastert. Bei der Wechselwirkung werden aus den oberflächennahen Bereichen des Probenmaterials Signale emittiert, die mit geeigneten Detektoren aufgefangen werden.
Die Emissionsrate des jeweiligen Signals wird elektronisch verstärkt und als visuell zu betrachtendes Bildsignal auf einem Bildschirm dargestellt.

Abbildunsmöglichkeit:

Das REM bietet bei hoher Tiefenschärfe und Auflösung Abbildungen mit Vergrößerungen von 10 bis zu max. 300.000-fach . Die Wellenlänge des Elektronenstrahls ist um ca. fünf Größenordnungen geringer als die des sichtbaren Lichtes, die Apertur um drei Größenordnungen, d.h.ein Gewinn der Auflösung um mind. 2 Größenordnungen.
Eine gezielte Untersuchung bestimmter Probenbereiche unter Nutzung von Röntgensignalen kann zur genauen Stoff- bzw. Elementeanalyse dienen.
Ein Rasterelektronenmikroskop befindet sich im Bereich Physikalische Technik, Haus 1 und wird von Herrn Prof. Dr. Rolle und Frau Huget betreut. Dort erhalten Sie auch weitere Auskünfte über die Rasterelektronenmikroskopie.

4. Rasterkraftmikroskopie

Funktionsprinzip:

Die untere Abb. stellt das eigentliche Funktionsprinzip dar. Ein Laserstrahl wird auf die Spitze des flexiblen Cantilevers fokussiert und auf eine zweigeteilte Fotodiode gespiegelt. Die feine, pyramidenförmige Tastspitze befindet sich an einem Hebelarm mit extrem kleiner Federkonstante und rastert die Probenoberfläche punktförmig ab. Die durch das Oberflächenprofil verursachte Verbiegung des Cantilevers wird optisch nachgewiesen.

Dies erfolgt, indem die Positionsänderung des Laserstrahls von der Fotodiode durch auftretende Spannungsdifferenzen registriert wird.
Das geometrische Oberflächenprofil wird mittels Sensor gemessen.

Abbildungsmmöglichkeit:

Aus den Meßdaten kann ein dreidimensionales topographisches Oberflächenprofil der Probe mittels Software erstellt werden. Die max. Rauhtiefe der zu untersuchenden Probe muß der max. Auslenkung der Spitze angepaßt werden, da sonst keine Abbildung möglich ist (ca. 1 nm).

Die Software bietet Schnittkurven durch ein frei wählbares Oberflächenprofil an, wobei hier genaue Meßlinien festgelegt werden können. Dies kann beim Ausmessen von
Tiefen- und Höhenpunkten genutzt werden. Oberflächenrauheiten werden automatisch angezeigt. Die Abtastspitze kann durch einen Gerätezusatz gegen eine Diamantspitze ausgetauscht werden und gestattet unter Anwendung gezielter Kräfte die dynamische Registrierung von Härtewerten und E-Modulen im Nanobereich.
Ein Rasterkraftmikroskop befindet sich im Bereich Physikalische Technik, Haus 1 und wird von Frau Prof. Dr. Richter und Herrn Dipl.Krist. Ries betreut. Dort erhalten Sie auch weitere Auskünfte über die Rasterkraftmikroskopie.