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Metallographie [1]

[407] Metallographie, befaßt sich mit der Beschreibung der Konstitution der Metallegierungen und der zu ihrer Erforschung dienenden Methoden. Zur Untersuchung des Kleingefüges dient ein Mikroskop, das den besonderen Zwecken (Lichtzuführung von oben und kurzgefaßte Objektive) angepaßt ist. Soll das Gefüge abgebildet werden, so wird das Mikroskop mit einer Kamera zur Aufnahme des Gefügebildes versehen.

In einzelnen Fällen gibt auch schon die Betrachtung der Bruchfläche sowie die Beobachtung der geätzten Schliffe (s. unten) mit bloßem Auge weitgehende Aufschlüsse. Zur Vornahme der mikroskopischen Untersuchung müssen die zu unterziehenden Stücke (mit Hilfe von Sägen, Feilmaschinen oder Drehbänken) mit einer ebenen Fläche versehen, geschliffen und poliert werden. Das Schleifen geschieht auf rotierenden Scheiben, auf die bestes Schmirgelpapier verschiedener Körnung (Nr. 3 bis 0000) geleimt wird (auf den groben, aus Holz bestehenden Scheiben trocken, auf den feinsten, aus Metall bestehenden unter Zugabe von Terpentinöl). Um das namentlich beim Schleifen auf gröberen Papieren leicht auftretende Erhitzen der Proben, womit Gefügeänderungen verbunden sein können, zu verhindern, ist häufiges Eintauchen der Schleifprobe in Wasser notwendig und starkes Aufdrücken derselben zu vermeiden. Auf das Feinschleifen kommt das Polieren der vorher sorgfältig entfetteten Schliffflächen auf einer mit Tuch bezogenen Scheibe mit naß aufgetragenem Polierrot (Juwelierrot, Eisenoxyd oder geschlämmter Tonerde) für harte Metalle, namentlich Eisen und Stahl; bei Kupfer und seinen Legierungen leistet die im Handel käufliche Putzpomade mit nachfolgender Verwendung von bayrischem Kalk, welche je auf besonderen Scheiben zu verwenden sind, gute Dienste. Bei gewissen Legierungen genügt nach dem Schleifen schon das einfache Polieren, um die Gefügebestandteile verschiedener Härte erkennen zu lassen. Gewöhnlich muß jedoch durch besondere Verfahren das Gefüge erst sichtbar gemacht werden. Hierfür kommt in Betracht:

1. Reliefpolieren: Man poliert mit sehr wenig geschlämmtem feinsten Juwelierrot auf elastischer Unterlage (Gummi, Pergament), wobei die härteren Gefügebestandteile stehen bleiben und die weicheren weggenommen werden.

2. Erwärmen des Schliffs (Anlassen): Man erhält hierdurch unter Umständen eine Trennung der Gefügebestandteile auf Grund der Verschiedenartigkeit der auftretenden Anlaßfarben.

3. Aetzpolieren: Man poliert auf einer elastischen Unterlage wie beim Reliefpolieren unter Anwendung von Chemikalien, wie einer Lösung von Süßholzextrakt, Ammoniumnitrat, Ammoniakwasser u.a.

4. Aetzen: Man behandelt die polierten, sorgfältig entfetteten (Eintauchen in Benzin, Aether, Alkohol) Schliffe mit Aetzmitteln, wie konzentrierte und stark verdünnte Salpetersäure, 4prozentige Pikrinsäure in Alkohol, Salzsäure in Alkohol, Jodtinktur, Kupferammoniumchlorid, Natriumpikrat, konzentrierte Kalilauge, Ammoniak und Kupferammonoxyd u.a. Infolge der verschiedenen Widerstandsfähigkeit der Gefügebestandteile gegen ein Aetzmittel wird eine Auflösung des Gefüges erzielt, oder es treten bestimmte Färbungen und Reaktionen oder beides zugleich auf.

5. Aetzen mit gleichzeitiger Anwendung des elektrischen Stroms [6], [8].

Von den zu metallographischen Untersuchungen verwendeten Mikroskopkonstruktionen sind die bekanntesten:[407]

a) Das Mikroskop (Stativ) von Martens (Fig. 1, C. Zeiß, Jena) mit horizontaler optischer Achse (durch die Schraube D) grober oder (durch die Mikrometerschraube E) seiner Einstellung des Objekttischs. Die Mikrometerschraube E, deren Teilung eine Verschiebung des Tisches um 0,005 mm abzulesen gestattet, wird von Hand oder unter Vermittlung eines Hookeschen Gelenks und des Triebs F mit Hilfe einer Stange von der Mattscheibe der photographischen Einrichtung (s. unten) aus bewegt. Der Objekttisch ist drehbar und kann in zwei zueinander senkrechten Richtungen bewegt werden. Zur genauen Einstellung des Objekts senkrecht zur optischen Achse des Mikroskops ist der Objekttisch mit Hilfe zweier Justierschrauben einstellbar. Diese Einstellbarkeit kann entbehrt werden, wenn das Probestück so auf einen Objektträger aufgekittet wird, daß die geschliffene Fläche der Unterlage parallel ist; in einfacher Weise läßt sich dies unter Verwendung eines mit parallelen Endflächen versehenen, die Schleifprobe umfassenden Rings durch Auflegen der Schlifffläche und des Rings auf eine Glasplatte, Aufbringen von Modellierwachs auf die Schleifprobe und Andrücken des Objektträgers (Glasplatte) gegen die obere Fläche des Rings erzielen. Sehr kleine Objekte werden in Spannrähmchen mit Schrauben festgehalten. Der Objektträger wird mit einer Federklammer auf dem Objekttisch befestigt. – Die Beleuchtung von Metallschlitten erfolgt durch auffallendes Licht. Bei genügend großem Objektabstand kann entweder ein beweglicher Spiegel oder ein dünnes Planglas Verwendung finden, welche vor dem Mikroskop so aufgestellt werden, daß das senkrecht zur Achse auffallende Tages- oder Lampen- (elektrisches Bogen-, Kalk-, Gasglüh-, Petroleum-)licht auf das Objekt und von diesem in das Mikroskop reflektiert wird. Bei den stärkeren Trockensystemen und bei den homogenen Immersionen (s. Mikroskop) verwendet man dagegen zur Beleuchtung den Vertikalilluminator (Fig. 2), der zwischen Tubus T und Objektiv O eingeschaltet wird, und auf dessen kleines Prisma P die Lichtstrahlen der Beleuchtungsvorrichtung gerichtet werden, die an dessen Hypotenusenfläche total reflektiert werden und durch das Objektiv zum Objekt gelangen. – Die Beleuchtungsvorrichtung besteht aus der Lichtquelle (s. oben) in Verbindung mit einer optischen Bank. Zur Absorption der langwelligen »Wärmestrahlen« wird eine Wasserkammer und bei stärkeren Vergrößerungen oder wenn nur Strahlen von bestimmter Wellenlänge, also einfarbiges (monochromes) Licht zur Anwendung kommen sollen, ein sogenanntes Lichtfilter (Gefäß mit gefärbter Flüssigkeit oder eine farbige Glasscheibe) eingeschaltet. Zur Abblendung der Randstrahlen und zur Vertiefung der Bilder dienen Irisblenden. – Die zum Martensschen Apparat gehörige mikrophotographische Kamera (Fig. 3) ruht auf einem aus Stangen gebildeten Schlitten, um sie bei einer Aufnahme rasch an das Mikroskop heranzuschieben bezw. bei subjektiver Beobachtung zu entfernen. Kamera und Mikroskop sind lichtdicht durch Verschlußtrichter miteinander verbunden.

b) Das Mikroskop von Le Chatelier, Fig. 4 (Vertreter P.F. Dujardin & Co in Düsseldorf) besitzt eine senkrechte optische Achse mit nach oben gekehrtem Objektiv, durch[408] diese Anordnung fällt die Paralleleinstellung des Objekts (s. oben) weg und auch umfangreiche Objekte können mit Hilfe dieses Mikroskops untersucht werden. Das Okular ist horizontal angeordnet. Der Objektivträger ist (durch Zahnstange) grob und (durch Mikrometerschraube) fein einstellbar. Zur Einteilung von der Mattscheibe aus ist eine biegsame Welle vorhanden. Die von der Lichtquelle A (Fig. 5) ausgehenden Lichtstrahlen werden mit Hilfe einer optischen Bank auf das Prisma B geleitet, von diesem axial durch das Objektiv reflektiert, vom Objekt zurückgeworfen, treffen die Hypotenusenfläche des Prismas D und gelangen zum Okular E (Fig. 6). Soll photographiert werden, so wird das Prisma D um 90° um seine vertikale Achse gedreht und die Strahlen treffen dann die photographische Platte. Zwischen Prisma D und Platte befindet sich ein Zeißsches Projektionsokular.

Anwendung findet die Metallographie zur Untersuchung des Gefüges, Ermittlung von fremden Bestandteilen (z.B. Schlackeneinschlüssen) und örtlichen Verschiedenheiten in der Zusammensetzung von Metallen und Legierungen (wie sie z.B. durch Saigerung [s.d.], beim Einsatzharten [s.d.] hervorgerufen werden), zur Feststellung des Einflusses mechanischer (Walzen, Schmieden u.s.w.) und thermischer (Erwärmen, Ausglühen, Ablöschen u.s.w.) Behandlung sowie chemischer Einwirkung auf das Gefüge und die Eigenschaften eines Materials, zur Feststellung von Schweiß- und Lötnähten und der Art der Schweißung und Lötung, zur Kontrolle bei der Aufstellung der Zustandsdiagramme (s.d.) von Legierungen [14], [15]. S.a. Eisen (Bd. 3, S. 266), Mikroskop, Mikroskopische Untersuchungen, Photographie.

Literatur: [1] Goerens, Paul, Einführung in die Metallographie, Halle a. S. 1906. – [2] Ruer, Rud., Metallographie in elementarer Darstellung, Hamburg und Leipzig 1907. – [3] Mitteilungen aus dem eisenhüttenmännischen Institut der Kgl. Technischen Hochschule Aachen, Halle a. S 1906. – [4] Osmond, Mikrographische Analyse der Eisenkohlenstofflegierungen, Halle 1906. – [5] Heyn, E., Die Metallographie im Dienste der Hüttenkunde, Freiberg 1903. – [6] Charpy, G., Etude microscopique des alliages métalliques, Paris 1901. – [7] Behrens, Das mikroskopische Gefüge der Metalle und Legierungen, Hamburg und Leipzig 1894. – [8] Le Chatelier, La technique de la métallographie microscopique, Paris. – [9] Hiorns, A.H., Métallographie (traduit et augmenté par E. Bazin), Paris. – [10] Mitteilungen aus den Kgl. techn. Versuchsanstalten in Berlin, 1899, S. 73 (Martens, A., und Heyn, E., Ueber die Mikrophotographie im auffallenden Licht und über die mikrophotographischen Einrichtungen der Kgl. mech.-techn. Versuchsanstalt in Charlottenburg). – [11] Ebend., 1891, S. 278 (Martens, A, Die mikrophotographische Ausrüstung der Kgl. mech.-techn. Versuchsanstalt). – [12] Le Chatelier, Examen métallographique des fers, aciers et fontes, Rapport de la section de métallurgie du congrès international de Liège 1905. – [13] v. Jüptner, Lehrbuch der Siderologie, Leipzig 1900–04. – [14] Heyn, E., Ueber die Nutzanwendung der Metallographie in der Eisenindustrie, »Stahl und Eisen«, Düsseldorf 1906, S. 850. – [15] Guillet, L., Die industrielle Verwertung der Metallmikroskopie, Le Génie Civil 1907, S 123–126. – [16] Ders., Etude industrielle des alliages métalliques, Paris 1906. – [17] Goerens, P., Ueber die Vorgänge bei der Erstarrung und Umwandlung von Eisenkohlenstofflegierungen und deren Beobachtung auf metallographischem Wege, Halle 1907. – Fortlaufend über die Fortschritte der Metallographie berichten die Zeitschriften: The Metallographist, Boston, Mass. U.S.A. (bis 1904 erschienen); The Iron and Steel Magazine (bis 1905 erschienen); Journal of the Iron and Steel Institute; Berichte des internationalen, des deutschen und des französischen Verbands für die Materialprüfungen der Technik; Revue de métallurgie, Paris; »Metallurgie«, Halle a. S.; »Stahl und Eisen«, Düsseldorf. – Zahlreiche Literaturnachweise für Einzelartikel sind in dem Jahrbuch für das deutsche Eisenhüttenwesen, Düsseldorf 1900–04, und in der »Stahl und Eisen« beiliegenden vierteljährlich erscheinenden Literaturübersicht enthalten.

A. Widmaier.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.

Fig. 5., Fig. 6.