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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!