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Metallographie [3]

[449] Metallographie (Metallkunde), Untersuchung der Metalle und Legierungen in bezug auf ihr Bruchgefüge, Grob- und Kleingefüge, Veränderungen, die sie bei der Verarbeitung oder durch sonstige Behandlung erfahren, sowie hinsichtlich der sich dabei abspielenden Vorgänge. Das Folgende bildet eine Ergänzung des Inhaltes der Abhandlung in Bd. 6, S. 407 f. Die wiedergegebenen Gefügebilder flammen aus der Materialprüfungsanstalt der Technischen Hochschule Stuttgart.

A. Bruchgefüge. In nicht wenigen Fällen gibt die Betrachtung der Bruchflächen zerrissener oder durch Biegung gebrochener Stäbe Aufschlüsse über die Beschaffenheit (grobkörnig, feinkörnig, sehnig, mit Fehlstellen behaftet, ungleichförmig, Gußgefüge, z.B. Fig. 11 mit deutlichen Kristallen u.s.w.) und ermöglicht, allerdings nur bei vorhandener Erfahrung, ein ziemlich weitgehendes Urteil darüber, ob sich das Material für einen bestimmten Zweck eignet oder nicht. Ist, wie oft der Fall, Vergrößerung erforderlich, so wird statt der Lupe mit Vorteil ein binokulares Mikroskop verwendet[449] (Fig. 2, von C. Zeiß, Jena), das räumliche Bilder liefert, die auch photographisch festgehalten werden können, infolge des größeren Abstandes zwischen Linse und Gegenstand bessere Beleuchtung des letzteren, ferner stärkere Vergrößerung zuläßt und die Augen weit weniger ermüdet. Auch das stark verstellbare Mikroskop von Fueß, Fig. 3, findet Anwendung. – Neuerdings wurden Untersuchungen mit Röntgenstrahlen vorgeschlagen (»Stahl u. Eisen« 1918, S. 837 f.).

B. Grobgefüge (makroskopische Untersuchung). Untersucht werden Querschnitte mit bloßem Auge oder unter schwacher Vergrößerung. Unganze Stellen, Risse und grobe Einschlüsse treten zwar schon nach dem Ueberhobeln und Ueberfeilen zutage – über Schwefeldrücke s. unten –, doch ist es meist notwendig, die Flächen zu schleifen und zu ätzen. Angaben hierüber s. Bd. 6, S. 407. Dabei zeigen sich außerdem Seigerungen, weitergehende Formänderungen, Verschiedenheiten in der Zusammensetzung, Schweißstellen u.s.w. Als Beispiel seien angeführt Fig. 4: unganzes Kesselblech, Fig. 5: Stab mit Lunker (Fehlstelle und Seigerung), Fig. 6: Querschnitt durch ein gestanztes Loch (Umbiegung der Schichten am Rande, Seigerzone in der Mitte des Querschnitts), Fig. 7: eingesetztes Stück (Dunkelfärbung am Rande infolge des höheren Kohlenstoffgehalts), Fig. 8: autogene Schweißung, Fig. 9: Stumpfschweißung in einem Rohr, Fig. 10: Kupferlötstelle mit grobem Korn. Hierher gehört auch das Schwefeldruckverfahren des Verfassers, das die Herstellung von Abbildungen bei stark (durch Schwefel) verunreinigtem Eisen ohne Apparat und Dunkelkammer ermöglicht: Aufdrücken eines mit 5 prozentiger Schwefelsäurelösung[450] getränkten, leicht abgetrockneten Stückes Bromsilberpapier auf die überfeilte oder geschliffene Fläche während etwa einer Minute, Fixieren im Fixierbad, hierauf Waschen wie gewöhnlich; die stark verunreinigten Stellen treten dunkelbraun hervor. Näheres s. in [1]. Heyn schlägt die Verwendung eines mit Sublimat getränkten Läppchens aus weißer Seide und Betupfen mit Salzsäure vor (»Stahl und Eisen« 1906, Heft 1). Fig. 11 gibt einen Schwefeldruck nach dem ersteren Verfahren wieder.

C. Kleingefüge (mikroskopische Untersuchung). Zur Untersuchung gelangt ausschließlich die Oberfläche sorgfältig polierter und geätzter Schliffe, über deren Herstellung in Bd. 6, S. 407, berichtet ist (Untersuchung von Dünnschliffen im durchfallenden Licht findet nicht statt). Ergänzend sei hier folgendes bemerkt. In neuerer Zeit werden besondere Schleifmotoren angeboten. Bei Beschaffung solcher ist auf ausreichend geringe Umdrehungszahl – etwa höchstens 1000 in der Minute – zu achten. In Sonderfällen oder wenn nicht viele Schliffe anzufertigen sind, kann das Schleifen von Hand auf Brettern nach Fig. 12 (von E. Leitz, Wetzlar) erfolgen, auf die Schmirgelpapier aufgespannt ist.

Zur Betrachtung dienen Mikroskope. Da die für Betrachtung im durchfallenden Licht erforderlichen Beleuchtungsapparate hier nicht benutzt werden, reichen für viele Zwecke kleine Stative, z.B. nach Art des in Fig. 13 gezeichneten kleinen Instrumentes VI von E. Leitz, Wetzlar, aus. Erforderlich ist ausreichende Ausladung a und genügender Hub h des Tubus. Der Hub erfährt durch den Vertikalilluminator (s. unten) Verkürzung. Wenn nur mittlere Vergrößerungen in Betracht kommen, so genügt Verstellung des Tubus durch Zahn und Trieb (s. Fig. 13). Ist außerdem Feinstellung durch Mikrometerschraube vorhanden, so ist es bequem, wenn die beiden Knöpfe G (Grobstellung) und F (Feinstellung) parallel und beim Heben und Senken in gleicher Richtung laufen; dies ist z.B. bei dem mittleren Stativ Fig. 14 (R. Winkel, Göttingen) und bei dem großen Stativ Fig. 15 (von C. Zeiß, Jena) der Fall. Ein verstellbarer Tisch (Kreuztisch oder mikrophotographischer Tisch, vgl. Fig. 16 und 25) kann entbehrt werden, wird aber bei stärkerer Vergrößerung sowie dann erwünscht, wenn die Bilder festgehalten werden sollen. Schrägstellbarkeit (Fig. 15) ist eine Bequemlichkeit, deren Wert verschieden beurteilt wird, solange das Mikroskop nur der Beobachtung dienen soll. Beim Anschluß an eine photographische Kamera kann die Umlegbarkeit des Mikroskopes wertvoll sein (s. unten).

Für dicke Stücke werden Metallmikroskope mit verschiebbarem Tisch gebaut (vgl. Fig. 15 sowie Bd. 6, S. 407, Fig. 1, Knopf D). Schwere Stücke dem Mikroskop aufzuladen, erscheint weniger zweckmäßig als umgekehrt zu verfahren. Verfasser hat z.B. ein großes Mikroskop von Zeiß gemäß Fig. 16 auf eine niedere Fußplatte F gesetzt, so daß schwere Stücke durch die Tischöffnung T hindurch betrachtet werden können. (Näheres s. Metallurgie 1909, S. 407 f.) In gleicher Absicht werden besondere Werkstattmikroskope gebaut, so z.B. das von Fueß, Fig. 17. Zur Untersuchung von Wellen u.s.w. auf Anrisse dient das Werkstattmikroskop von Zeiß.

Die Beleuchtung erfolgt bei solchen Instrumenten durch eine kleine, durch Akkumulator gespeiste Glühlampe, die in den Tubus eingebaut ist, was sich nur für mäßige Vergrößerungen empfehlen dürfte. Im allgemeinen findet bekanntlich Beleuchtung von außen her durch Vertikalilluminator statt. Die verbreiteteste Bauart ist die in Bd. 6, Fig. 2, S. 408 dargestellte,[451] bei der ein das halbe Objektiv bedeckendes Prisma, von der Seite beleuchtet, das Licht durch das Objektiv auf den Schliff sendet, der es an dem Prisma vorbei durch die freie Objektivhälfte ins Okular zurückwirft. Statt dessen wird für besonders weitgehende Auflösung bei hoher Vergrößerung von Benedicks ein dünnes Planglas Pl zur Beleuchtung empfohlen, wie Fig. 18 zeigt, wobei die ganze Objektivöffnung zur Abbildung und Beleuchtung dient, aber ein weniger kontrastreiches Bild erzielt wird. Beide Instrumente sind für mikrophotographische Zwecke mit einer Irisblende J versehen. Dem Prismenilluminator wurden von Zeiß früher außerdem Steckblenden beigegeben, die sich unmittelbar über dem Prisma durch einen Schlitz einschieben ließen und eine Klärung des Bildes bewirken; Verfasser möchte sie nicht entbehren.

Als Lichtquelle für die Betrachtung dient bei Tag der Himmel. Mikroskopierlampen mit und ohne Beleuchtungslinsen sowie ziemlich schwerfällige Aufbauten werden verschiedentlich angeboten. Sie behindern das freie Arbeiten am Mikroskop. Am einfachsten ist es, am Tubus eine kleine Linse beweglich beteiligen zu lassen und durch sie das Bild einer beliebigen Lichtquelle in die Oeffnung des Illuminators zu werfen.

Die Kennzeichnung betrachteter Stellen erfolgt durch Markierapparat, zeigt denjenigen von Winkel; er wird an Stelle des Objektivs eingesetzt und ritzt um die eben betrachtete Stelle auf dem festgeklammerten Objekt mittels der Diamantspitze D einen Kreis, dessen Durchmesser an der Teilung T eingestellt werden kann. Wer viel zu mikroskopieren hat, wird den Wert eines Markierapparates bald würdigen.

Der Hinweis auf eine bestimmte Stelle des Bildes wird in hohem Grade erleichtert durch das Doppelzeigerokular von E. Leitz, Fig. 20, das für zwei Beobachter eingerichtet ist und jede Stelle des Bildfeldes durch den Zeiger Z bezeichnet.

Das Wechseln der Objektive durch Einschrauben schädigt bei starkem Gebrauch das Tubusgewinde, ist auch etwas zeitraubend und bedeutet eine gewisse Gefährdung des Objektivs. Revolver (vgl. Fig. 14 bei R) ermöglichen das zwanglose Auswechseln von 2 bis 4 Objektiven (je mit Vertikalilluminator). Schieber (vgl. Fig. 15 bei S) oder Zangenwechsler gestatten die Verwendung beliebig vieler Objektive. Sind sie kurz gebaut, so kann ein gemeinsamer Vertikalilluminator verwendet werden.

Zur Betrachtung müssen die Schliffflächen senkrecht zur Tubusachse gestellt werden, was am einfachsten unter Zuhilfenahme von etwas

Modellierwachs geschieht. Die vielfach empfohlenen, mit Schrauben einstellbaren Tische sind mühsam zu bedienen. Ist genaues Ausrichten erforderlich, so verwendet Verfasser planparallele Ringe R nach Fig. 21, die beim Andrücken des Objektträgers 0 gegen das Stück. bewirken, daß O der zu betrachtenden Fläche F genau parallel wird und stets denselben Abstand von ihr erhält, was bei reihenweiser Betrachtung und Abbildung von Vorteil ist. Werden einige solcher Ringe vorrätig gehalten, so können Stücke aller Gestalt und Größe aufgesetzt werden. Dem gleichen Zweck dient das in Fig. 22 abgebildete Gerät von E. Leitz, bei dem die Parallelstellung durch den Stempel St erfolgt.

Das Festhalten des mikroskopischen Bildes erfolgt durch Zeichenapparate, die auf den Tubus aufgesetzt werden (Abbescher Zeichenapparat, Zeichenprisma), durch Projektion und Nachzeichnen von Hand oder in überwiegendem Maße durch Photographie (Mikrophotographie).

Die Vergrößerung des photographischen Bildes hängt hierbei ab von der Vergrößerung des Objektives und des Okulars sowie von der Länge des Balgauszuges, d.h. von der Größe des Abstandes zwischen Okular (oder, wenn dieses fehlt, Objektiv) und photographischer Platte. Wird auf Veränderlichkeit dieses Abstandes verzichtet, so ergeben sich sehr einfache Apparate. Für manche Zwecke genügen kleine Aufsatzkammern, wie sie z.B. von Fueß, Steglitz, geliefert werden (Fig. 23). Sie lassen sich z.B. auf den Ring R, Fig. 17, aufsetzen, der an jedem Mikroskop angebracht werden kann. Für weitergehende Ansprüche sind Kammern mit veränderlichem Auszug nötig. Fig. 24 zeigt eine kleine senkrechte Kamera von Zeiß, die über dem Mikroskop aufgestellt werden kann. Zur Aufnahme ist sie nach links zu schwenken und[452] das Vorderteil so weit zu senken, bis der Lichtverschluß L in den entsprechenden Ring am Mikroskop (Fig. 15) eintaucht. Bei dieser Bauart sind nur kürzere Auszüge handlich. Bei dem großen Apparat von Leitz beträgt die Auszuglänge 1 m, bei dem von C. Zeiß 1,5 m; große Länge ist erwünscht, namentlich wenn mit schwachen Objektiven Uebersichtsbilder großen Formats hergestellt werden sollen, welche nicht selten von besonderem Wert sind. Lange Apparate werden vorteilhaft wagrecht gelagert. An sich kann jedes Mikroskop durch Ansetzen einer Kamera zum mikrophotographischen Apparat ergänzt werden, doch sind große Tubusdurchmesser (vgl. Fig. 15) vorteilhaft. Sollen wagrechte Kammern verwendet werden, so muß entweder das Mikroskop wagrecht gebaut bezw. umlegbar sein oder ist der Strahlengang durch ein auf das

Okular gesetztes Prisma um 90° umzulenken (vgl. Fig. 16 bei P). – Neuerdings sind mikrophotographische Apparate für Metalluntersuchungen in stärkerem Maße zur Verwendung gelangt. Neben dem großen Apparat von C. Zeiß (Bd. 6, S. 407 f., Fig. 1 und 3) der zur Abbildung größerer Stücke durch den in Fig. 25 dargestellten Aufsatzwinkel W brauchbar gemacht werden kann2 und sowohl zur Herstellung stark vergrößerter Bilder als auch zur Anfertigung schwach vergrößerter Uebersichtsbilder großen Formats, die nicht selten besonders wertvoll sind, sehr gut geeignet ist,3 auch die Forderung erfüllt, daß Mikroskop und Kammer gesondert aufgestellt sein sollen, damit Erschütterungen der letzteren das Bild nicht stören, finden Apparate der in Bd. 6, S. 408, Fig. 4, besprochenen Bauart, die jedoch bedeutende Verbesserung erfahren hat, weite Verbreitung. Fig. 27 zeigt einen solchen von E. Leitz, Wetzlar. (Das Okular O wird bei der Aufnahme nach oben, für die Betrachtung mit dem Auge nach unten verschoben.) Als Vorteil wird hervorgehoben, daß Ausrichten der Schliffe nicht nötig ist, weil diese mit der abzubildenden Fläche P auf den Tisch gelegt werden. Diese für den laufenden Gebrauch im Laboratorium wertvolle Eigenschaft kann bei sehr großen und bei sehr kleinen Stücken nicht ausgenutzt werden. Im letzteren Fall kann man durch Haltevorrichtungen, Unterlagplatten u.s.w. nachhelfen. Zur Anfertigung schwach vergrößerter Uebersichtsbilder großen Formats sind gegebenenfalls besondere Apparate zu beschaffen. Ist mit Erschütterungen des Gebäudes, in dem der Apparat untergebracht ist, zu rechnen, so ist der ganze Apparat auf eine schwere und starre, federnd aufgehängte Platte zu stellen.

Als Lichtquelle dienen fast ausschließlich selbstregulierende Bogenlampen, in deren Strahlengang bei stärkerer Vergrößerung ein Lichtfilter – gefärbtes Glas, besser eine Flüssigkeit – (F in Fig. 27) einzuschalten ist. Soll kurze Belichtungszeit erreicht werden, so genügen Grünfilter[453] für viele Zwecke; eine ziemlich helle Lösung von Filtergrün II von Meister, Lucius & Brüning in Höchst a.M. hat sich z.B. sehr gut bewährt. Außerdem ist für mikrophotographische Zwecke eine Irisblende und gute Beleuchtungslinse unentbehrlich (B und K in Fig. 27). Die Anwendungen der Untersuchung des Kleingefüges sind so zahlreich, daß sie nicht einzeln aufgezählt werden können. Zu den bekanntesten gehören die Kohlenstoffbestimmung bei Flußeisen (s.d.), die Prüfung der Wärmebehandlung bei geglühtem und gehärtetem Stahl sowie der Gleichmäßigkeit derselben, ebenso bei Kupfer, Messing und anderen Legierungen, die Untersuchung auf Gleichförmigkeit solcher (vgl. Abschnitt D.).

D. Von Veränderungen, die bei der Verarbeitung, im Gebrauch u.s.w. auftreten und metallographisch feststellbar sind, seien erwähnt starke Verunreinigung, Kaltbearbeitung (gekennzeichnet durch Streckung, gegebenenfalls Zertrümmerung der die Metalle aufbauenden Kristalle) und deren Beseitigung durch Ausglühen (Beispiel: Fig. 28); ferner Ueberhitzen und Verbrennen bei Bearbeitung im Feuer, Schweißen, Schneiden mit dem Brenner (Beispiel: Fig. 29); oberflächliche Entkohlung von Werkzeugstahl, Zufuhr von Kohlenstoff bei weichem Eisen (Fig. 7); Feststellung unzulässiger örtlicher Erhitzung an Lagern, Wellen, Werkzeugen, Schienen, Quetschung und sonstige Ueberanstrengung aller Art; Zersetzung von Legierungen (Fig. 30).

E. Sonstige Vorgänge, deren Verfolgung zur metallographischen Untersuchung gerechnet zu werden pflegt, sind in erster Linie solche, die sich durch thermische Beobachtungen feststellen lassen (Umwandlung, Zustandsdiagramm sowie die einzelnen Metalle). Dazu treten Sonderuntersuchungen, Löslichkeitsversuche, Dichtigkeitsbestimmungen, elektrische und magnetische Messungen mehrfacher Art, Bestimmung des Wärmeinhaltes u.s.w., je nach Art der vorliegenden Aufgabe. Im übrigen vgl. Bd. 6, S. 409.

Weitere Literatur: [1] C. Bach und R. Baumann, Festigkeitseigenschaften und Gefügebilder der Konstruktionsmaterialien, Berlin 1915. – Neuere Lehrbücher: Goerens, 2. Aufl., Halle a. d. S. 1915. – Guertler, Metallographie, Berlin 1912. – Hanemann, Einführung in die Metallographie und Wärmebehandlung, Berlin 1915. – Mars, Die Spezialstähle, Stuttgart 1912. – Martens-Heyn, Materialienkunde, Bd. 2, Berlin 1912. – Ruer, Metallographie in elementarer Darstellung, Hamburg und Leipzig 1907. – Tammann, Lehrbuch der Metallographie, Hamburg und Leipzig 1914. – Zeitschrift für Metallkunde, Berlin. – Im übrigen vgl. die in Bd. 6, S. 409 gemachten ausführlichen Literaturangaben.

R. Baumann.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.

Fig. 5.

Fig. 6.

Fig. 7.

Fig. 8., Fig. 9.

Fig. 10.

Fig. 11.

Fig. 12.

Fig. 13.

Fig. 14., Fig. 15., Fig. 16., Fig. 17.

Fig. 18.

Fig. 19.

Fig. 20.

Fig. 21., Fig. 22., Fig. 23.

Fig. 24.

Fig. 25.

Fig. 26.

Fig. 27.

Fig. 28.

Fig. 29.

Fig. 30.