Grundpraktikum. Versuchsreihe: Materialwissenschaft. Metallographie

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1 Grundpraktikum Versuchsreihe: Materialwissenschaft Metallographie B402 Stand: Ziel des Versuchs: Es soll durch Nutzung metallographischer Methoden nachgewiesen werden, dass die Eigenschaften eines Werkstoffes wesentlich von der Gefügeausbildung bestimmt werden und dass das Gefüge und damit die Eigenschaften durch technologische Maßnahmen beeinflusst werden können. Inhalt 1 Einleitung Grundlagen Ziel und Methoden metallographischer Untersuchung Präparation Systematische Präparation Reproduzierbarkeit Wahres Gefüge Probennahme Trennen Einfassen Schleifen und mechanisches Polieren Kontrastieren Versuchsdurchführung Verwendete Proben Verwendete Geräte Versuchsablauf Versuchsauswertung Auswertung der Proben Untersuchung an einer Schweißnaht Gefügeänderung durch Wärmebehandlung Zusammenfassung / Wertung Literatur... 9 V:\lehre\praktika\anleitungen_und_musterprotokolle\04 gp ii\b\quellen\b402_metallographie_ docxstand

2 1 Einleitung Der Name Metallographie wird heute dem Teilgebiet der Metallkunde vorbehalten, das sich mit dem Zusammenhang zwischen den Zustandsdiagrammen, dem Gefügeaufbau und den Eigenschaften der Metalle und Legierungen befasst. Gleichartige Untersuchungen sind an Keramiken (Keramographie) und Kunststoffen (Plastographie) möglich. 2 Grundlagen Die Probenpräparation ist darauf ausgerichtet, das wahre Gefüge einer Probe offen zu legen, sei es von Metall, Keramik, Hartmetall oder einem anderen festen Material. Mit einer systematischen Präparationsmethode gelingt dies am einfachsten. Wenn eine bestimmte Arbeitsroutine auf das gleiche Material unter gleichen Bedingungen angewendet wird, erwartet man immer das gleiche Ergebnis; das Präparationsergebnis muss reproduzierbar sein. 2.1 Ziel und Methoden metallographischer Untersuchung Aufgabe der Metallographie ist die qualitative und quantitative Beschreibung des Gefüges metallischer Werkstoffe. Darunter soll die Ermittlung und Bestimmung der - Art - Menge - Größe - Form - örtlichen Verteilung - Orientierungsbeziehungen der Gefügebestandteile mit Hilfe direkt abbildender mikroskopischer Verfahren verstanden werden. Die umfassende Charakterisierung des Gefüges ist dabei nicht Selbstzweck, sondern wird mit der Absicht durchgeführt, Zusammenhänge zwischen chemischer Zusammensetzung, technologischen Prozessen zur Gewinnung bzw. zur Nachbehandlung metallischer Körper und der Gefügeausbildung aufzuklären sowie auf dieser Grundlage die Eigenschaften und das Beanspruchungsverhalten metallischer Werkstoffe bzw. Werkstücke verstehen zu helfen. 2.2 Präparation Systematische Präparation Um zu einer metallographiegerechten Anschlifffläche zu gelangen, bedarf es mehrerer Präparationsstufen, die folgerichtig und ohne Präparationsfehler durchlaufen werden müssen Reproduzierbarkeit Wenn Entwicklung und Anpassung einer Präparationsmethode abgeschlossen ist, sollte sie bei jeder Anwendung auf das gleiche Material die gleichen Resultate erzielen. Die Kontrolle der Präparationsparameter ist ein wichtiger Faktor. Zu ihnen zählt: Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung, Andruckkraft der Proben, Art und Menge von Schleif-, Polier-, Schmiermittel, Präparationszeit. Diese Faktoren sind bei der Präparation von ausschlaggebender Bedeutung und beeinflussen das Endergebnis. 1

3 2.2.3 Wahres Gefüge Die Materialographie befasst sich s mit derr Untersuchung einer Probenoberfläche, die theoretisch genau das Bild dess zu untersuchenden Gefüges trägt. Im Idealfall werden folgende Bedingunge en gestellt: Keine Verformung, keine Kratzer, keine Ausbrüche, keinen Import fremder Elemente,, kein Schmieren, keine Reliefbildung und Kantenabrundung, keine thermische Beeinflussung. Bei Anwendung mechanischer Präparationsmethoden ist es jedoch fast f unmöglich, alle Bedingungen zu erfüllen. Die Präparationn verändert das Gefüge geringfügig, so dass man nur zufriedenstellende Präparationsergebnissee erhält. Folgende Präparationsstufen haben sich inn der Praxis bewährt: Abb.1: Präparationsstufen zur Herstellung eines metallographischen Schliffs Probennahme Bei der Probennahme muss das Material so geschnitten werden,, dass die Werkstoffschädigung bzw. derr interessierende Werkstoffbereichh in der Anschlifffläche zu sehen ist. Liegt im Material eine Vorzugsorientierung vor (Verformungsgefüge), muss bei der Probennahme die Symmetrie der Formgebungsverfahren berücksichtigt werden. Bei Bändern und Blechen im Kaltwalzzus stand sind entsprechen d Abb. 2 drei Lagen der Anschliffachsen zu beachten. Im Längsschliff erscheinen die Körner in Walzrichtung 2

4 (Symmetrieachse) stark gestreckt, im Querschliff senkrecht zur Walzrichtung in Walzebene bzw. parallel zur ihr verbreitert. Abb. 2: Lage der Anschliffflächen gegenüber der Kornausrichtung bei verschiedenenn Formgebungsverfahren Trennen Die Probennahme soll möglichst so erfolgen, dass eine Trennfläche der Probe zur Weiterverarbeitung als Schlifffläche geeignet ist. Entnahmemethoden, die starke Materialveränderungen bewirken, sind zuu vermeiden. Abb. 3: Methoden der Probennahme e 3

5 2.2.6 Einfassen Abb. 4: Einfassen von Proben Das Einfassen wird erforderlich bei unhandlich kleinen, bei sehrr weichen, sehr brüchigen und porösen Proben, sowie bei hohen Anforderungen an die Randschärfe. Außerdem ist das Einfassen unumgänglich, wenn mehrere Proben zu einem Schliff zusammengefasst werden. Grundsätzlich wird zwischen drei Techniken unterschieden: Einspannen Das Einspannen in Schliffhalter oder klammern ist besonders für Serienuntersuchungen von Teilen mit gleichen Abmessungen geeignet. Abb. 5: Beispiele für Schliffhalterungen: a) Rohrabschnitt, b) Bleche, c) Stäbe, d) unregelmäßig ge Teile, e) Drähte 4

6 Warmeinbetten unter Druckk Die Probe wird in die Einbettpresse gelegt und das Einbettmitte l zugegeben. Danach wird die Probe unter Anwendung von Wärme und d Druck eingebettet. Abb. 6: Warmeinbetten Abb. 7: Warmeingebettetee Probe Kalteinbettung Die Probe wird in eine Form gelegt. Die genauen Gewichts- oder Volumenteile der zwei oder drei Komponenten werden durchmischt und über die Probe gegossen. Abb. 8: Kalteinbetten Schleifen und mechanisches Polieren Abb. 9: Methoden zum metallographischen Schleifen und Polieren 5

7 Unmittelbar nach der Probennahme ist die künftige Schlifffläche meist uneben, besitzt eine unzulässige Rauhigkeit und weist Bearbeitungsschichten auf (Abb. 10). Um den Anforderungen an einen metallographischen Anschliff nachzukommen, muss die Schlifffläche einer schrittweisen Feinbearbeitung unterworfen werden. Ziel der Feinbearbeitung ist es, die künftige Schlifffläche zunächst einzuebnen, danach die Oberflächenrauhigkeit zu verringern und gleichzeitig die von den vorangegangenen Präparationsschritten veränderten Materialbereiche abzutragen. Als Abrasivstoffe haben sich verschiedene Korundsorten (Al 2 O 3 ), Siliziumkarbid und Diamant durchgesetzt. Universell anwendbare Poliermittel in der Metallographie sind lediglich Diamant und Tonerde. Abb. 10: Aufbau der gestörten Oberflächenschicht und deren Abbau beim Schleifen und mechanischen Polieren 1) Nass- Trennschleifen bzw. Grobschleifen 2) Feinschleifen 3) mechanisches Polieren t Gesamttiefe der Bearbeitungsschicht, t R Rautiefe, t v Deformationstiefe 6

8 2.2.8 Kontrastieren Abb. 11: Ätzverfahren in der Übersicht Die einzelnen Bestandteile eines Gefügess besitzen unterschiedliche chemische Zusammensetzungen, so dass sie durch chemische Agenzien unterschiedlich stark angegriffen werden. Das kann man für die Unterscheidung der einzelnen Gefügebestandteile bei mikroskopischen Untersuchungen nutzen. Je nach eingesetztemm Ätzmittel werden entweder die Kornflächen oder die Korngrenzen verstärkt angegriffen, verändern ihr r Reflexionsvermögen und werden unterscheidbar. Die eingesetzten Ätzmittel sind auf Werkstoff und Zielstellung abgestimmte spezifische Mischungen. Auch Farbätzungenn sind möglich. Abb. 12: Kornflächen- und Korngrenzenätzung 7

9 3 Versuchsdurchführung 3.1 Verwendete Proben Sie verwenden für diesen Versuch 5 Proben, die von Ihnen aus dem Versuch B302 (Spannung und Dehnung) ausgesucht wurden. Eine vom Betreuer vorgegebene Schweißprobe (Schiffbaustahl AH 36 [ St 52], 0,15%C) 3.2 Verwendete Geräte Einbettpresse Schleifgerät Poliergerät Ätzmittel Mikroskop Mikrohärteprüfer 3.3 Versuchsablauf Aus den von Ihnen ausgesuchten Teilen werden Mikroskopproben angefertigt. Überprüfen Sie an der vorgegebenen Schweißprobe die Härtewerte der in der Schweißnaht vorkommenden Gefüge. 4 Versuchsauswertung 4.1 Auswertung der Proben Auswertung der eingebetteten Proben (Gefügeuntersuchung) Untersuchung der aus hervorgegangenen Ergebnisse mit den Ergebnissen aus dem Versuch B Untersuchung an einer Schweißnaht Vergleichen Sie die Härteverlaufskurven miteinander (Die Wertetabellen sind zu einem Diagramm zusammenzustellen. Es ist dabei zu beachten, dass die Übergängen Schweißnaht/WEZ von beiden Kurven deckungsgleich liegen) Stellen Sie aus der Härtekurve (unbehandelter Schweißnaht), der Skizze der Schweißnaht und einem Phasendiagramm eine Zeichnung her, in die Sie eine Abkühlkurve für den Stahl einfügen Zeichnen Sie in diese Skizze die Gefüge ein. 4.3 Gefügeänderung durch Wärmebehandlung Bestimmen Sie die Gefügeumwandlungen in Stahl beim Temperaturanstieg auf 820 C und langsamen Abkühlen (Gefügeskizzen). Skizze siehe Anhang. 4.4 Zusammenfassung / Wertung 8

10 5 Literatur Macherauch, Eckard: Praktikum in Werkstoffkunde; 10. Aufl. F. Vieweg & Sohn, Braunschweig Merkel, Thomas: Taschenbuch der Werkstoffe; 4. Aufl. Fachbuchverlag Leipzig-Köln Ilschner, B.: Werkstoffwissenschaften; Springer-Verlag Dahl,W.: Eigenschaften und Anwendungen von Stählen Bd1+2, Augustinus Buchhandlung, 1993 Weiler,W.: Härteprüfung an Metallen und Kunststoffen, expert, 1990 Anik, S.: Schweisseignung metallischer Werkstoffe, Dt. Verl. Für Schweisstechnik, 1995 Schumann,H.: Metallographie, Leipzig-Dt. Verl. Für Grundstoffind Krist,T.: Leichtmetalle, Vogel-Verlag, 1969 Eckstein, H.J.: Technologie der Wärmebehandlung von Stahl; Verlag für Grundstoffindustrie; Leipzig 1986 Al Taschenbuch 9

11 Anlagenn Anlage: Bild Gefügeumwandlung zu 4.3 Gefügeumwandlung in Stahl 10