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Kristallsysteme und Bravais-Gitter

Kristalle sind Körper mit einer periodischen Anordnung von Bausteine (Atome). Diese Kristallsysteme bilden 7 Grundtypen und unterscheiden sich in der Achsenlänge (a, b, c) und den Achsenschnittwinkeln (α, β, γ).

Kristallsystem Achsenlängen Achsenschnittwinkel
triklines System a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ ≠ 90°
monoklines System a ≠ b ≠ c α =  γ = 90°, β ≠ 90°
rhombisches System a ≠ b ≠ c α = β = γ = 90°
tetragonales System a = b ≠ c α = β = γ = 90°
hexagonales System a = b ≠ c α = β = 90°,  γ = 120°
trigonales System a = b = c α = β = γ ≠ 90°
kubisches System a = b = c α = β = γ = 90°

Diese 7 Typen werden auch als primitive Elementarzellen bezeichnet, da nur die Ecken bzw. Eckpunkte Gitterpunkte sind. Die Symmetrie ist hier am höchsten.  Es können  sich aber auch die nicht-primitive Elementarzellen ergeben mit einer etwas geringeren Symmetrie, d.h. mehr Symmetrielementen. Die Gesamtheit dieser möglichen Gitter werden auch als die 14 Bravais-Gitter bezeichnet. Es können sich ebenfalls raumzentrierte, flächenzentrierte und bzw. oder basisflächenzentrierte Elementarzellen ausbilden.

Kristallsystem mögliche Gittersysteme
triklin primitiv
monoklin primitiv
basisflächenzentriert
rhombisch primitiv
innenzentriert
basisflächenzentriert
flächenzentriert
tetragonal primitiv
innenzentriert
hexagonal primitiv
trigonal primitiv
kubisch primitiv
innenzentriert
flächenzentriert

Symmetrieelemente

Symmetrieelemente sind geometrische Elemente wie Punkte, Achsen und Ebenen an denen Symmetrieoperationen durchgeführt werden können.

Symmetrieoperationen sind Aktionen mit der ein Gegenstand mit sich selbst zur Deckung gebracht werden kann.
–> vor und nach der Ausführung gleiches Aussehen

Es gibt verschiedene Symmetrieoperationen  und -elemente wie:

  1. n-zählige Rotation und n-zählige Drehachse Cn
  2. Inversion (Punktspiegelung) an Inversionszentrum i
  3. Spiegelung an Spiegelebene σ
  4. Drehspiegelung an Drehspiegelachse Sn

 

Härteprüfung nach Knoop sowie spezielle Härteprüfverfahren

Härteprüfung nach Knoop (DIN EN ISO 4545)
Die Härteprüfung nach Knoop ein universelles Verfahren zur Bestimmung der Härte. Die Besonderheit liegt in der Form des Indenters aus Diamant. Dieser ist rhombsiche geformt mit Spitzenwinkel von 172°30′ und 130°.

Form des Knoop-Indenters
Form des Knoop-Indenters

Durch diese besondere Form lassen sich Härteindrücke im Martensit (hart) besser ausmessen, da die Messlänge viel größer ist und somit der Fehler kleiner wird. Verglichen mit Vickers ist die Diagonale d des Knoop-Indenters das 2,77fache der Vickersdiagonale. Die Eindringtiefe in das Material beträgt 1/30 der Diagonale.

Berechnungsgleichung für die Härtemessung nach Knoop
Berechnungsgleichung Härteprüfung nach Knoop

 

Registrierende Härteprüfung (DIN EN ISO 14577)
Bei der registrierenden Härteprüfung wird während der gesamten Messung die Prüfkraft über die Eindringtiefe aufgezeichnet. Aus der so aufgenommenen Kraft/Eindringtiefe-Kurve können dann am Ort der Entlastung die Eindringhärte HIT  und der elastische Eindringmodul EIT bestimmt werden. Neue Geräte legen über die Prüfkraft kontinuierlich während der Messung eine kleine sinusförmige Oszillation um während der gesamten Messung zu jedem Zeitpunkt die Eindringhärte HIT  und den elastischen Eindringmodul EIT zu bestimmen.

registrierende_haerteprüfung
Schema Kraft/Eindringtiefe-Kurve bei der registrierenden Härteprüfung

Aufgaben der Werkstoffprüfung

Werkstoffpruefung

Das Ziel der Werkstoffprüfung ist es, eine eindeutige Beschreibung eines Werkstoffes oder Bauteiles hinsichtlich seiner Eigenschaften durch verschiedene Prüfverfahren zu erhalten. Die so erhaltenen Werkstoffkennwerte werden in der Werkstoffentwicklung und Konstruktion herangezogen um eine geeignete Werkstoffauswahl sowie Auslegung der Bauteile zu treffen. Im Schadensfall werden ebenfalls Werkstoffkennwerte ermittelt um den Grund des Ausfalls näher zu kommen und um geeignete Gegenmaßnahmen zu treffen zu können.

Die Aufgabenbereiche sind also:

  • Werkstoffdiagnostik des strukturellen Aufbaus von Werkstoffen und mögliche Reaktionen mit der Umwelt
  • Eigenschaftcharakterisierung über messbare Kenngrößen
  • Qualitätsprüfung
  • Zuverlässigkeits-/Schadensanalyse

Dazu stehen Prüfverfahren zur Verfügung die auf unterschiedlichsten Messmethoden beruhen:

  • mechanisch-technologische Prüfverfahren um Festigkeits, Verformungs. und Bruchverhalten zu bestimmen
  • chemisch-physikalische Prüfverfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung und des strukturellen Aufbaus
  • Gefügeaufbau durch Metallographie
  • Zeströrungsfreie Prüfverfahren
  • physikalische Prüfverfahren zur Ermittlung von mechanischen, optischen, elektrischen und magnetischen Werkstoffeigenschaften
  • Spannungs- und Dehnungsmessung

Um eine gewisse Vergleichbarkeit der Kennwerte zu erhalten sind genormte Proben bzw. Probenstücke notwendig und gefordert!

Glühverfahren

Die Grundlage für alle Glühverfahren des Stahls bildet das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm. Die Erwärmung und Abkühlung laufen dabei gleichgewichtsnah ab. Je nach gewählten Glühverfahren findet dabei die Wärmebehandlung in einem bestimmten Temperaturfenster statt.

Glühverfahren, Bild: © Patrick Schilg

Diffusionsglühen

Das Diffusionsglühen findet bei Temperaturen von 1050 – 1300°C und langen Haltezeiten bis 50h statt. Die Abkühlung erfolgt langsam.

Es sollen Konzentrationsunterschiede ausgeglichen werden und versprödend wirkende Phasen aufgelöst werden. Dabei ist jedaoch darauf zu achten, dass kein Kornwachstum stattfindet und die Verzunderung/Entkohlung in Grenzen gehalten wird.

Spannungsarmglühen

Das Spannungsarmglühen findet bei Temperaturen unterhalb von Ac1 statt, genauer bei 450 – 650°C und langen Haltezeiten von 1 bis 2h. Die Erwärmung und Abkühlung erfolgt sehr langsam.

Es sollen innere Spannungen (Eigenspannungen) abgebaut werden. Dabei steht gleichzeitig die Forderung nach keiner Gefügeveränderung und keine Beeinflussung der übrigen Werkstoffeigenschaften. Dies ist aber nur möglich wenn eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Werkstück vorherrscht. Ebenfalls ist ein vollständiger Spannungsabbau nie möglich, es bleiben immer Restspannungen vorhanden.

Rekristallisationsglühen

Das Rekristallisationsglühen findet bei Temperaturen unterhalb von Ac1 und oberhalb der Rekristallisationstemperatur eines Werkstoffes statt, genauer bei 400 – 700°C. Die Haltezeit ist abhängig von der gewählten Temperatur, sie kann wenige Minuten bis mehrere Stunden betragen. Die Abkühlung erfolgt langsam. Einen Abschätzung der Rekristallistationstemperatur kann mit trek getroffen werden.

Das Hauptziel ist die Beseitigung von Verfestigungen durch Kaltumformungen. Die plastische Verformbarkeit eines Werkstoffes kann dadurch wieder hergestellt werden –> Duktilität nimmt zu! Ebenfalls ist es möglich die Korngröße über den Umformgrad vor der Rekristallisation einzustellen.

Schritte der Rekristallisation:

  1. Ausgangszustand ist ein kaltverformter Zustand mit erhöhter Versetzungsdichte
  2. Kristallerholung
  3. Keimbildung
  4. Keimwachstum
  5. vollständige Rekristallisation
  6. Kornwachstum
  7. Sekundärrekristallisation (unerwünscht da ungleichmäßige Zunahme der Kirstallitgröße)

Grobkornglühen

Das Grobkornglühen findet bei Temperaturen von mindestens 150 K oberhalb von Ac3 statt. Die Haltezeit ist abhängig von der Glühtemperatur, sie beträgt in der Regel aber mehrere Stunden. Die Abkühlung erfolgt langsam bei Kohlenstoffreichen Stählen. Je langsamer das abkühlen stattfindet, desto gröber wird das Ferritkorn –> Ofenabkühlung ist optimal für hohe Korngrößen.

Das Hauptziel ist wie der Name des Verfahrens schon sagt eine Vergröberung des Gefüges. Es wird durchgeführt  um günstige Zerspanungseigenschaften für untereutektoide Stähle einzustellen. Ebenfalls wird die Oberflächengüte und Maßgenauigkeit verbessert beim Spanen.

Stähle die Ausscheidungen besitzen sind bedingt für das Grobkornglühen geeignet, da Ausscheidungen das Kornwachstum behindern!

Weichglühen / Glühen auf kugelige Karbide

Der Temperaturbereich beim Weichglühen / Glühen auf kugelige Karbide ist in 2 Bereiche unterteilt:

  1. untereutektoide Stähle dicht unterhalb Ac1
  2. übereutektoide Stähle Pendelglühen um Ac1

Die Haltezeiten betragen bis 100 h und Abkühlung erfolgt langsam. Das Weichglühen wird durchgeführt um Karbide einzuformen und dadurch einen optimalen Ausgangszustand für eine spanlose / spannende Weiterverarbeitung zu gewährleisten. Durch die gleichmäßige Verteilung der Karbide ist dies ebenfalls ein optimaler Ausgangszustand für das Härten.

Normalglühen

Der Temperaturbereich beim Normalglühen ist ebenfalls in 2 Bereiche unterteilt:

  1. untereutektoide Stähle 30 – 50 K oberhalb Ac3 , legierte Stähle aber 50 – 100 K oberhalb Ac3
  2. übereutektoide Stähle 30 – 50 K oberhalb Ac1

Es soll ein gleichmäßiges, globulitisches und feinkörniges Gefüge eingestellt werden.  Ebenfalls werden Vorbehandlungszustände beseitigt und ein Vergleichsgefüge zur Werkstoffcharakterisierung eingestellt.

Haltezeitempfehlung:             t = [ 20 + halber Durchmesser in mm ] min

Die Abkühlung muss der Werkstoffcharakteristik angepasst werden. Unlegierte Stähle werden Luftabgekühlt und legierte Stähle Ofenabgekühlt.

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Piwik

Auf eine Datenanalyse mit Piwik wurde ab Oktober 2017 verzichtet.

Quelle: https://www.e-recht24.de

Allgemeine Prozessgrundlagen der Wärmebehandlung

Erwärmen und Halten

Es gibt verschiedene Methoden um ein Material zu erwärmen. Manche sind volumenerfassend und manche nur oberflächenerfassend. Die Wahl der Erwärmung ist daher sehr wichtig, ob ein Material durchheizgt werden muss oder ob es ausreicht nur die Oberfläche zu erwärmen.

  • volumenerfassend sind Ofenerwärmung und Erwärmung mittels Stromdurchgang
  • oberflächenerfassend sind Induktionserwärmung, Laser- oder Elektronenstrahl und die Gasflamme

Bei Erwärmung erfahren die Gitterbausteine eine höhere thermische Schwingung. Dies bewirkt Materialausdehnung, Leerstellenerhöhung, Diffusion ab 0,4 der Schmelztemperatur und bei polymorphen Werkstoffen treten Gitterumwandlungen auf.

Die Wärmeleitung ist Materialabhängig und geschieht über die Mechanismen der Wärmestrahlung, Konvektion und Wärmeleitung. Je mehr Legierungselemente ein Stahl aufweist, desto länger muss erwärmt werden bis alle Legierungselemente in Lösung gegangen sind.

Haltezeitempfehlung:       20 min + ( D/2 in mm) –> XX min

Abkühlen

Alle Glühverfahren werden mit gleichgewichtsnahen Abkühlbedingungen durchgeführt. Das Härten geschieht unter gleichgewichtsfernen Abkühlbedingungen. Durch die Abkühlung verringern sich die thermischen Schwingungen der Gitterbausteine, es findet Materialkontraktion statt und die Leerstellenkonzentration wird kleiner. Je nach dem wie schnell abgekühlt wird vollzieht sich eine diffusionsgesteuerte oder diffusionslose Phasenumwandlung.

Die Abkühlbeschwindigkeit ist stark medienabhängig. Ofen- oder Luftabkühlung sind sehr langsam so dass die Bedingungen sehr gleichgewichtsnah sind. Eine Abkühlung in Öl, Wasser oder einem Salzbad erhöht die Abkühlgeschwindigkeit sehr stark, so dass gleichgewichtsferne Zustände im Material eintreten wie ein Martensitisches Gefüge.

Bei beschleunigten Abkühlen in Flüssigkeiten tritt das sogenannte Leidenfrostsche Phänomen auf. Die meist nah an 1000°C warmen Bauteile bilden beim eintauchen in die Flüssigkeit eine Dampfhautphase aus, die wärmeisolierend wirkt. Sie verringert stark die Abkühlgeschwindigkeit. Durch schwenktbewegungen und weitere Abkühlung bricht die Dampfhaut langsam ein und die Kochphase beginnt. In dieser Phase sind nur noch Dampfblasen um das Bauteil und die Abkühlgeschwindigkeit beschleunigt sich stark. Durch weitere Abkühlung bilden sich auch keine Dampfblasen mehr aus und die Konvektionsphase läuft ab.

Leidenfrostsches Phänomen, © Patrick Schilg
Leidenfrostsches Phänomen, © Patrick Schilg

Atmosphären

Man muss sich bewusst sein dass bei erhöhten Temperaturen immer Wärme- und Stoffaustauschprozesse stattfinden. Es könnten unbeabsichtigte oder erwünscht Reaktionen ablaufen. Zu den unerwünschten Zählen oftmals Oxidation, Entkohlung und Aufkohlung. Diese werden vermieden durch Entfernung der reaktiven Substanzen mittels Vakuum oder eines reaktionsträgen Gases (Schutzgas).

  • Schutzgas –> Stoffaustausch verhindern
  • Reaktionsgas –> gezielter Stoffaustausch

Ein Qualitätsmaß für Gase ist der Taupunkt, es gilt je niedriger desto besser. Schutzgase verhindern aber nicht nur  Stoffaustausch, sie können auch eine besondere Wirkung auf das Bauteil ausüben. Reduzierende Schutzgase sind z.B. CO oder H2.

Aufgaben der Wärmebehandlung

Die Aufgaben der Wärmebehandlung sind klar und eindeutig:

  • Einstellen von Gebrauchseigenschaften
  • Einstellen von Verarbeitungseigenschaften
  • Beseitigung von Eigenspannungen
  • Beseitung einer Kaltverfestigung
  • Beseitigung von Seigerungen
  • Einstellen der vollen Wirksamkeit der Legierungselemente

Man stellt sich am besten immer die Frage „Was soll verändert werden?“. Die Festigekeit, Härte, Zähigkeit, Zerspanbarkeit oder Umformbarkeit . . . . Daraufhin wählt man das am besten passende Wärmebehandlungsverfahren aus. Diese können sein:

  • Normalglühen, Härten und Vergüten
  • Grobkornglühen
  • Weichglühen
  • Spannungsarmglühen
  • Rekristallisationsglühen
  • Diffusionsglühen
  • Lösungsglühen und Aushärten

Alle Verfahren laufen nach dem Grundprinzip erwärmen, halten und abkühlen ab (T-t-Regime). Man trifft die Wahl der Anlage, Aufheizgeschwindigkeit, Haltezeit und -temperatur, Atmosphäre, Abkühlgeschwindigkeit und -medium. Die Probengröße hat wesentlichen Einfluss auf die Haltezeit.

  • thermisch dickes Material –> große Temperaturunterschiede zwischen Rand und Kern
  • thermisch dünnes Material –> kaum Temperaturunterschiede zwischen Rand und Kern

Quantitative Gefügeuntersuchung

Die Quantitative Gefügeuntersuchung wird eingesetzt um Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen aufzuklären. Es kann der Anteil, die Form, Größe und die Anordnung der Gefügebestandteile bestimmt werden. Durch Zählen, Messen und Klassifizieren wird also das Gefüge quantifiziert.

Voraussetzungen für solche Untersuchungen sind eine hohe Schliffqualität und eine optimale Bildqualität. Das heißt, die Proben müssen gut poliert und geätzt sein und das Bild sollte ein gutes Verhältnis von Kontrast, Tiefenschärfe und Helligkeit aufweisen.

Die quantitative Beschreibung eines Gefüges erfolgt durch allgemeine geometrische Parameter der Gefügebestandteile. Dies sind in der Regel:

  • Volumenanteil VV
  • spezifische Grenzfläche SV
  • Teilchenzahl NV
  • und das Integral der mittleren Krümmung MV

Die Stereologische Grundgleichung lautet  VV = AA = LL = PP . Der Volumenanteil einer Phase oder Bestandteils kann also aus der Flächenanalyse AA, Linearanalyse LL oder Punktanalyse PP bestimmt werden. Aus den jeweiligen Anteilen bezogen auf die Gesamtfläche oder Gesamtsehnenlänge bzw. Gesamtpunktzahl kann dann der Anteil einer Phase bestimmt werden.

Analysemethoden, © Patrick Schilg
Analysemethoden, © Patrick Schilg

Die Bestimmung der Grenzflächendichte SV ist aus der Flächen- oder Linearanalyse möglich. Sie gibt die Korngrenzendichte bzw. die spezifische Korngrenzenfläche wieder. Bei der Flächenanalyse wird dazu einfache die Linienlänge der Korngrenze bezogen auf die Testfläche ausgegeben und nach (1) berechnet. Über die Linearanalyse werden die Anzahl der Schnittpunkte auf die Linienlänge der Testfläche bezogen (2).

spezifische Grenzflächendichte SV, © Patrick Schilg
spezifische Grenzflächendichte SV, © Patrick Schilg

Das am weitesten verbreitete Verfahren zur Gefügeuntersuchung ist die Korngrößenbestimmung aus der Linear- oder Flächenanalyse eines Probenbereiches. Je nach gewählten Verfahren ist aber zu beachten, dass die Korngröße immer etwas fehlerbehaftet ist. Nach Möglichkeit sollte daher ein Verfahren gewählt werden, welches unabhängig von der Kornform und Größenverteilung ist –> physikalisch begründetes Korngrößenmaß. Das einzigste Verfahren mit dieser Eigenschaft ist die mittlere Korngröße L!

Linearanalyse
  • mittlere Korngröße L aus der Grenzflächendichte
  • Heynsche Korngröße aus Anzahl der Sehnen / Gesamtsehnenlänge

–> eine bimodale Verteilung der Korngröße ist ein Hinweis auf Fehler beim Ausscheidungs-Temperatur-Regime

Flächenanalyse
  • Jeffries-Korngröße aus dem Mittelwert der Kornschnittflächen, ist aber nur exakt bei konvexen Körnern und gibt keine Aussage über die Gleichmäßigkeit (auch bekannt als ASTM-Korngröße)

Ebenfalls ist es möglich eine Formcharakterisierung der Teilchen durchzuführen. Am verbreitetsten dabei ist der Streckungsfaktor / die Streckung von Teilchen. Dieser berechnet sich entweder aus dem größten und kleinsten Feret oder über die mittlere Korngröße im Verhältnis horizontal zu vertikal.

Streckung von Teilchen, © Patrick Schilg
Streckung von Teilchen, © Patrick Schilg

Des Weiteren ist es auch möglich die räumliche Anordnung über den Gefügetyp zu bestimmen, also ob ein Gefüge vernetzt oder isoliert ist. Ebenso können Abstandsverteilungen zu nächsten Nachbarn untersucht werden auf zufällige oder periodische wiederkehr.

Die Kreisförmigkeit/Rundheit von Teilchen oder die Konvexität der Fläche ist auch bestimmbar um die Form der Körner zu bestimmen.

Die Quantitative Gefügeanalyse findet in der Werkstoffforschung, Qualitätssicherung, Schadensanalyse und Optimierung der Herstellungsprozesse Anwendung. Sie bietet verschiedene Messmethoden um ein zielgerichtetes arbeiten zu ermöglichen. Da sie sehr umfangreich und zeitaufwendig sein kann sollten stets nur eigenschaftsrelevante Gefügekennwerte bestimmt werden!

Kontrastierungsmethoden / Gefügeentwicklung

Um ein Gefüge darstellen zu können ist es oftmals notwendig eine Gefügeentwicklung mittels Ätzen in Lösungen durchzuführen. Im polierten Zustand sind meist nur Risse, Poren, Lunker, das Relief und die Eigenfarbe des Materials sichtbar. Das Ziel der Kontrastierung ist daher die Sichtbarmachung des Gefüges durch unterschiedlich starke Reflexion sowie eine wirklichkeitsgetreue und repräsentative Wiedergabe des Gefüges. Manchmal ist es aber auch sinnvoll ohne Veränderung der Schlifffläche eine Kontrastierung durchzuführen. Hier kann man besonders gut z.B. Mangansulfid-Einschlüsse im Stahl oder die Güte der Präparation im differentiellen Interferenzkontrast bewerten.

  • ohne Veränderung der Schlifffläche: lichtoptische Methoden
  • mit Veränderung der Schlifffläche: physikalische bzw. chemische/elektrochemische Methoden

Elektrochemische Grundlagen

Das Ätzen ist ein bewusst herbeigeführter Korrosionsangriff des Metalls. Die anodische Teilreaktion ist die Metallauflösung und die kathodische Teilreaktion stellt den Verbrauch der Elektrode dar.

  • Anode:           Me –> Mez+ + z e
  • Kathode:        2 H+ + 2 e –> H2

Der Ätzangriff, also das herauslösen der Metallionen, findet bevorzugt an Halbkristalllagen statt. Die Bindungskräfte der Atome sind hier nur halb so groß wie im innneren des Kristalls. Da immer der energetisch günstigste Weg eingeschlagen wird von einem System findet das herauslösen der Atome an diesen Halbkristalllagen statt. Ebenso stellt die Orientierung bzw. die Lage des Kristalls ein Kriterium für die stärke des Ätzangriffes dar. Je mehr Halbkristalllagen an der Oberfläche sind, desto stärker ist der Angriff.

chemisches Kontrastieren

Das chemische Ätzen ist besonders für heterogene Werkstoffs geeignet, da sich hier ein Korrosionselement ausbildet. Es laufen Reduktions- und Oxidationsprozesse ab. Dabei entstehen typische Angriffe auf das Gefüge.

Man unterscheidet 2 typische Angriffsformen: zum einen die Kornflächenätzung und zum anderen die Korngrenzenätzung.

Kornflächenätzung, © Patrick Schilg
Kornflächenätzung, © Patrick Schilg

Korngrenzenätzung, © Patrick Schilg
Korngrenzenätzung, © Patrick Schilg
Bei der Kornflächenätzung bilden sich orientierungsabhängig Ätzgrübchen oder eine unterschiedliche Aufrauung der Oberflächen. Dadurch wird das einfallende Licht diffus reflektiert und es kommt zu Helligkeitsunterschieden im Lichtmikroskop. Die Korngrenzenätzung läuft etwas anders ab. Hier werden entweder Furchen zwischen den Körnern geätzt oder Böschungen ausgebildet. Furchen entstehen an der Korngrenze, da diese nicht so stabil sind wie das Korn.  Böschungsbildung entsteht, so paradox es klingt, durch einen gleichmäßigen Abtrag der Kornfläche.

Eine weitere Möglichkeit zur Kornflächenätzung ist die Bildung von Reaktionsschichten. Hier bilden sich orientierungsabhängig unterschiedlich starke Kornbelegungen die oftmals als Farbätzungen bezeichnet werden.

Voraussetzungen für einen gleichmäßigen Ätzangriff:

  • saubere Probenoberfläche
  • sorgfältige Reinigung und Trocknung
  • Ätzen unmittelbar nach Endpolitur um Oxidschichten zu vermeiden

Verschärfung / Abmilderung eines Ätzangriffes:

  • über Zusammensetzung
  • über Temperatur
  • über Ätzdauer

physikalisches Kontrastieren

Im wesentlichen kann man das physikalische Kontrastieren in thermisches Ätzen, Ionenätzen und das Aufbringen von Interferenzschichten einteilen.

Beim thermischen Ätzen wird die Probe auf eine Temperatur von über 0,5 Ts erhitzt. Durch die hohen Temperaturen wird die Diffusion an der Oberfläche erleichtert und es beginnt eine Umordnung von Atomen. Das System möchte minimale Oberflächenenergie erreichen, es entstehen grabenartige Vertiefungen an den Korngrenzen und die Kornflächen werden schwach konvex.

thermisches Ätzen, © Patrick Schilg
thermisches Ätzen, © Patrick Schilg

Eine große Besonderheit dieses Verfahrens ist, dass man unter einem Hochtemperaturmikroskop die Gefügeveränderungen live beobachten kann.

Beim Ionenätzen findet ein Beschuss mit energiereiche Edelgasionen (meist Argon) statt. Die Ionen lösen Atome aus der Oberfläche des Werkstückes heraus, was man auch als  kathodische Zerstäubung bezeichnet. Dabei werden dicht gepackte Gitterebenen und nicht so dicht gepackte Ebenen unterschiedlich stark abgetregen. Durch Veränderung der Strahlenergie bzw. -leistung und Zeit wird die erzielte Rauigkeit verstärkt (mehr Kontrast).

  • bei homogenen Gefügen entsteht eine orientierungsabhängige Mikrorauigkeit
  • bei heterogenen Gefügen unterschiedlicher Abtrag je nach Phasenzusammensetzung und Struktur

Das Aufbringen von Interferenzschichten ist nur für heterogene Werkstoffe geeignet. Die hierbei aufgebrachte Schicht bewirkt Brechung, Mehrfachreflexionen und Interferenzen beim einfallenden Lichtstrahl –> die Intensitätsunterschiede des reflektierten Lichtes werden verstärkt.  Dadurch entsteht eine Kontraststeigerung zwischen den Phasen und eine Erhöhung des Farbkontrastes. Hergestellt werden solche Schichten mittels Bedampfen oder Sputtern. Dabei sind besonders gleichmäßige Schichtdickenverteilungen gefordert.