Gefügeanalyse / Gefügeuntersuchung Metall

Die Gefügeanalyse / Gefügeuntersuchung ist wichtiger Bestandteil der Qualitätssicherung:

Die Güte und Eigenschaft von Metallen ist unter anderem von den enthaltenen Legierungselementen wie z. B. Cr, Ni, Mn, Si usw. und deren Mengenanteil sowie Form, Größe, Verteilung, Homogenität und Ausrichtung der enthaltenen Kristalle (Körner) abhängig. Nicht nur durch die Legierungselemente sondern Wärmebehandlung oder mechanische Bearbeitung lassen sich die Eigenschaften von Metallen extrem beeinflussen. Für eine moderne Qualitätskontrolle ist die Bilddokumentation die quantitative und qualitative Gefügeanalysebzw. Gefügeuntersuchungmittels eines hochwertigen Lichtmikroskops (Metallmikroskop) bei 50 bis 1000-facher Vergrößerung heute unverzichtbar.

Alle nachfolgenden Analyse-Methoden werden durch die Bildverarbeitung der ZEISS - Software ZEN / Axiovision unterstütz. Entscheidend für eine fachgerechte Auswertung ist die Qualität des verwendeten Metall-Mikroskops. Nebenstehend einige geeignete Mikroskope die für die Bildauswertung geeignet sind.

Zu den Grundlagen der qualitativen Analyse gehört unter anderem die Stereologie (griechisch stereos = fest, körperlich). Dabei handelt es sich um die räumliche Interpretation (Rückschlüsse) aus Schnitten durch Körper (hier metallografische Probenpräparation) um Anhand eines zwei-dimensionalen Mikroskop-Bildes auf das gesamte Volumen des zu beurteilenden Gefüges zu schließen. Dabei wird aus der Vermessung der Geometrien des Gefüges mit mathematischen Funktionen auf den räumlichen Inhalt geschlossen. Bei der Stereologie handelt es sich um ein statistisches Näherungsverfahren zur quantitativen Bestimmung von Flächen oder Volumenanteilen.

Für die Analyse gilt dabei: AA =LL= PP = VV  (A Flächenanteil | L Längenanteil | P Punktanteil | V Volumenanteil)

Aufnahmen von Segmentierungen

Korngrößenbestimmung / Korngrößenanalyse

Neben der Korngrößenbestimmug ist die Bestimmung der Mengenverhältnisses der Elemente zur Beurteilung der Werkstoffeigenschaften von großer Bedeutung. Die quantitative mikroskopische Analyse (Bestimmung der Gefügeparameter) dieser unterschiedlichen Phasen - auch Phasenanalyse genannt - in Werkstoffen ermöglicht es, Aussagen über die Materialeigenschaften (den zu erwartenden mechanischen Eigenschaften und Haltbarkeit) zu treffen. Die quantitative Mikroskopie (Stereologie) ist eine alte Wissenschaft und wird bereits seit ca. 1850 industriell eingesetzt.

Neben der Bestimmung von Phasenanteilen ist die Bestimmung der Ferrit- oder Austenit- Korngrößenanalyse ein wesentlicher Bestandteil in der Gefügebeurteilung. Für die Analyse der Phasenanteile werden unterschiedliche Auswerteverfahren verwendet. Aus den so ermittelten Parametern lassen sich viele andere Parameter (wie z. B. Korngröße Korngrenzen / Lamellenabstand) bestimmen. Die grundlegenden Verfahren zur qualitativen und quantitativen Analyse sind:

1.   die Planimetrie (Flächenanalyse)

2.   das Linienschnittverfahren (Linienanalyse)

3.   das Punktzählverfahren (Punktanalyse)

Mit diesen drei Auswertemethoden lassen sich die Gefügeeigenschaften von Werkstoffen quantitativ bestimmen. Über die Bestimmung und Klassifizierung der Gefügebestandteile kann man Aussagen treffen über die mechanischen, chemischen und z.B. über die elektrischen Eigenschaften von Werkstoffen. Die Bestimmung der Gefügebestandteile kann sowohl manuell als auch automatisch erfolgen.

Die grundsätzliche Vorgehensweise bei der Gefügebestimmung ist wie folgt

Bearbeitungsschritt

Beschreibung des Bearbeitungsschrittes

Probenpräparation

Metallografische Aufbereitung einer Probe durch Trennen, Schleifen und Polieren bis hin zur spiegelnd glänzenden Oberfläche

Ätzen

Um die einzelnen Bestandteile des Metalls (Körner / Kristalle) unterscheiden zu können werden diese geätzt: Die Grenzen der Körner zueinander werden sichtbar

Bilderzeugung

Mikroskopische Aufnahme des Gefüges bei 50 – 1000-facher Vergrößerung
(Standard 400-fach)

Bild-Einzug

Das betrachtete Bild wird in eine Bildanalysesoftware geladen

Graubild-Bearbeitung

Einstellungs- / Optimierungsarbeit zur Bildverbesserung

Schwellwertbestimmung

Auswahl der analysierenden Gefüge-Struktur, Einstellung der Empfindlichkeitsschwelle

Binärbearbeitung

Korn-Größeneinteilung (Histogramm-Klassen), Bereinigung und Ausschluss von Gefügeanteilen die keiner Klasse entsprechen

Vermessung

Feldmessung und Objektmessung im Gefüge

Statistische Verarbeitung

Auswertung der mathematischen Anteile, Klassenverteilung nach Gauß

Bildarchivierung

Bildspeicherung inklusive der Messdaten
(mit besonderem Dateiformat z. B. CZI - Carl Zeiss Image

Ergebnisausgabe / Weitergabe

Die Bilder / Berichte werden gedruckt, versandt (PDF), Daten-Export in ERP Systeme

 

1.) Das Planimetrie-Verfahren (Flächeninhaltsanalyse)

a.)        Automatisch durch Bildanalysesoftware:

Hierbei werden durch aufwendige, aber einfach bedienbare Bildanalysesoftware bestimmt:
- Flächenanteil Volumenanteil (Verhältnis des Flächeninhaltes der Strukturen / Körner zum Gesamtbild)
- spezifische Linienlänge (Gesamtlängen-Verhältnis der Strukturen / Körner  zum Gesamtbild),
- Teilchenzahl pro Flächeneinheit und Größenverteilung der Strukturen / Körner in Bezug auf das Gesamtbild)

Die Korngröße wird bei diesem Verfahren über den Flächenanteil automatisch errechnet. Eine automatische Auswertung mittels ZEISS – Software ZEN oder Axiovision erfordert, dass die Korngrenzen an der metallografisch präparierten und geätzten Probe überwiegend geschlossen sind. Mittels der Bildanalyse werden die Flächeninhalte farbig dargestellt. Durch einfachen Mausklick können die Schwellwerte der Erkennung optimiert werden. Bei dem Verfahren können sowohl die Flächeninhalte als auch die Korngrenzen unterschiedlich farblich dargestellt werden. Die automatisierte Analyse liefert ein anschauliches Histogramm bezogen auf die Anzahl und Verteilung unterschiedlich großer Körner. 

b.)        Manuelle Auswertung:

Für bestimmte, nicht automatisierbare Auswertungen wie die Korngrößenbestimmung, die Porenanalyse oder die Graphitauswertung stehen (in der Bildanalyse-Software) zusätzlich weiterhin genormte Richtreihentafeln zur Verfügung. Dabei kann der Materialprüfer durch einfachen, aber recht zuverlässigen visuellen Bildvergleich zwischen zu beurteilendem Gefüge und vorgefertigten Vergleichsbildern (so genannte Richtreihentafeln) eine Zuordnung vornehmen. Dazu werden die bekannten Richtreihentafeln in der Software eingeblendet und der Anwender kann innerhalb kurzer Zeit das zu untersuchende Gefüge einer Tafel zuordnen (manueller Bildvergleich) und eine Qualifizierung des Werkstoffs vornehmen.

Korngrößenbestimmung nach Bildreinigung

Korngrößenbestimmung - Bild-Richtreihen nach ASTM

2.) Linienschnittverfahren

Bei dem Linienschnittverfahren werden über die mikroskopische Aufnahme Linien mit definierter Strecke aufgetragen. An jedem Punkt, an dem die Linie eine Korngrenze überschreitet erfolgt eine Markierung. Die Anzahl der Schnitte wird auf die Messtrecke bezogen und gibt so Auskunft über die quantitative Anzahl der Körner (Kristalle) im Gefüge. Es werden bestimmt:

- Linearanteil: Verhältnis Schnittsehnen-Gesamtlänge durch einen Gefügebestandteil zur Länge der Messlinie
- Schnittanzahl / Punktanzahl: Verhältnis der Schnittpunkt-Anzahl der durchschnittenen Korngrenzen zur gesamten Messlinien-Länge

Neben der einfachen Linie (mehrere Linien in einem Bild) stehen auch andere Geometrien (Mehrfachkreise etc.) zu Verfügung.

3. Das Punktzählverfahren (Punktanalyse) gemäß ASMT E562-02

Bild: Porenanalyse: Gesamtpunktzahl: 96, Trefferpunkte Poren: 15, Porenanteil: 15,6%

Das Mikroskopische- Bild wird mit einem Punktraster überdeckt. Danach werden die Punkte (Treffer) gezählt die einen Gefügeanteil getroffen haben (Verhältnis Treffer zu Gesamt-Punktanzahl ergibt den Flächen- bzw. den Volumenanteil der Gefügebestandteile.

Die Phasenanteile werden bei diesem Punktzählverfahren anhand einer mikroskopischen Gefügeaufnahme mit darüber gelegtem Punktmuster vorgenommen. Das Punktraster ermöglicht es den prozentualen Flächenanteil von Phasen an mikroskopischen Bildern, durch auszählen der Trefferpunkte, zu bestimmen.

Weitere Beispiele der Bildanalyse: Segmentierung (an Granualt)

Beispiel Bildanalyse: Segementierung Kugelgraphit

Beispiel Bildanalyse: Poren in Keramik

Die Segmentierung erfolgt in mehreren Schritten bis hin zur farblichen Differenzierung (Klasseneinteilung) nach Porengröße