Metallgefüge und mechanische Eigenschaften verschiedener metallischer Werkstoffe ändern sich durch Wärmebehandlung und andere Faktoren. Um Materialien richtig beurteilen zu können, ist eine zuverlässige Analyse der Korngrößen nach Industriestandards erforderlich.
In diesem Abschnitt werden Anwendungsbeispiele für das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX vorgestellt, mit dem die Problematik des visuellen Vergleichs bei der klassischen Korngrößenanalyse gelöst wird und automatisch Korngrößenkennzahlen entsprechend der Industrienormen berechnet werden können.

Quantitative Beurteilung der Korngrößenanalyse von Metallgefügen und deren Industrienormen

Mechanische Eigenschaften und Korngrößen von metallischen Werkstoffen

Metallische Werkstoffe werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt – von Autos und Flugzeugen bis hin zu Infrastruktur, Gebäuden, elektrischen Produkten und elektronischen Geräten. Auch ihre Arten variieren stark und Sie müssen je nach Anwendung und Zweck die geeigneten Materialien auswählen. So unterscheiden sich zum Beispiel die geforderten mechanischen Eigenschaften von metallischen Werkstoffen in der Automobilkarosserie deutlich von denen in Motorkomponenten. Neben den Arten von metallischen Werkstoffen, wie z. B. Reinmetalle, wie Eisen und Aluminium, und Legierungen, ist es auch wichtig, Metallgefüge und mechanische Eigenschaften zu verstehen, die sich durch Wärmebehandlung und andere Faktoren ändern.

Metallstrukturen sind polykristalline Körper, deren Kristallstruktur aus vielen Körnern besteht. Zwischen den Körnern befindet sich ein Bereich mit verzerrter atomarer Anordnung, dessen Grenze als Korngrenze bezeichnet wird.
Selbst bei gleichen Metallen und Legierungen werden deren Körner durch Wärme- und andere Behandlungen in einem bestimmten Muster angeordnet, was zu einer veränderten Korngrenzenbildung im Vergleich zu vor der Behandlung führt. Da sich die Korngrößen ändern, ändern sich auch die mechanischen Eigenschaften. Daher sind die durch Wärme- und andere Behandlungen veränderten Materialkorngrößen ein wichtiger Faktor bei der Beurteilung der mechanischen Eigenschaften.

Beurteilungsmethoden von Metallgefügen durch Korngrößenanalyse

Durch die Analyse der Korngröße eines Metallgefüges kann geprüft und beurteilt werden, ob der metallische Werkstoff die gewünschten mechanischen Eigenschaften besitzt. Im Allgemeinen muss für diese Beurteilung eine Korngrößenanalyse erfolgen, bei der eine Metallgefügeprobe präpariert wird, um die Korngröße und die Kornverteilung mit einem Metallmikroskop zu untersuchen.

Es gibt verschiedene Normen für die Korngrößenanalyse. In den Vereinigten Staaten wird die Analyse beispielsweise nach dem ASTM E112-13 Standard-Prüfverfahren zur Bestimmung der durchschnittlichen Korngröße durchgeführt.
In vielen Fällen werden die Korngrößen durch eine Sichtprüfung im Rahmen einer Vergleichsmethode analysiert. Im Allgemeinen werden die Korngrößen mit den folgenden Methoden beurteilt oder identifiziert.

Visueller Vergleich mit Standarddiagrammen
Der Bediener schätzt die Korngrößenkennzahl, indem er die mit einem Mikroskop vergrößerte Metallgefügeprobe visuell mit dem Normdiagramm vergleicht.
Korngrößen-Normdiagramm für austenitischen Stahl (100x)
Korngrößennummer 1
Korngrößennummer 1
Korngrößennummer 2
Korngrößennummer 2
Korngrößennummer 3
Korngrößennummer 3
Korngrößennummer 4
Korngrößennummer 4
Korngrößennummer 5
Korngrößennummer 5
Korngrößennummer 6
Korngrößennummer 6
Korngrößennummer 7
Korngrößennummer 7
Korngrößennummer 8
Korngrößennummer 8
Visueller Vergleich mit Korngrößentabellen
Eine Korngrößentabelle für eine Okularlinse, in die ein Bild des Korngrößenmusters eingefügt ist, wird zur Sichtprüfung mit einem Metallmikroskop verwendet, wobei sich sowohl die vergrößerte Probe als auch das Normdiagramm im Sichtfeld befinden.
Korngrößentabelle für eine Okularlinse eines Metallmikroskops zur Verwendung bei visuellen Vergleichen
Korngrößentabelle für eine Okularlinse eines Metallmikroskops zur Verwendung bei visuellen Vergleichen
Korngröße und Korndurchmesser
Neben der Korngröße wird manchmal auch der Korndurchmesser verwendet, um die Größe eines Korns auszudrücken. Im Allgemeinen wird die Korngröße mit einer Kornanzahl in einem Normdiagramm ausgedrückt, das den Industrienormen entspricht. Der Korndurchmesser hingegen wird mit dem Durchmesser des Korns ausgedrückt.
In vielen Fällen gilt: Je größer die Kornanzahl (je kleiner der Korndurchmesser), desto bessere mechanische Eigenschaften hat der metallische Werkstoff.

Probleme bei der Korngrößenanalyse

Die Partikelgrößenanalyse durch eine vergleichende Methode bringt folgende Probleme mit sich:

  • Korngrößenanalysen mithilfe von Normdiagrammen oder Korngrößentabellen werden durch visuellen Vergleich durchgeführt, sodass diese Prüfungen ein gewisses Maß an Fachkenntnis erfordern. Außerdem verhindern Abweichungen der Analyseergebnisse zwischen verschiedenen Bedienern eine quantitative Beurteilung.
  • Wenn eine Kamera an einem Metallmikroskop montiert ist, wird nur das Bild des Metallgefüges gespeichert. Daraus ergeben sich z. B. folgende Probleme: Es ist nicht möglich, ein Vergleichsbild zu erhalten, in dem auch ein Korngrößendiagramm für eine Okularlinse aufgenommen wurde. Außerdem wird der Schnittpunkt des Metallgefüges, an dem der Vergleich und die Analyse durchgeführt wurden, nicht erfasst.
  • Die manuelle Eingabe von Analyseergebnissen auf Papier oder am PC ist zeit- und arbeitsaufwendig und birgt zudem das Risiko einer falschen Beurteilung durch Fehleingaben.

Quantifizierung und Optimierung der Korngrößenanalyse durch Korngrößenmessung

Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX von KEYENCE bietet Lösungen für verschiedene Probleme bei der Korngrößenanalyse und ermöglicht eine genaue Analyse, Messung und quantitative Beurteilung von Korngrößen bei gleichzeitig einfacher Bedienung, unabhängig vom Kenntnisstand des Prüfers.

Die Modellreihe VHX verfügt über ein hochauflösendes Objektiv, einen 4K-CMOS-Sensor und ein eigens entwickeltes Betrachtungs- und Messsystem. Das innovative Digitalmikroskop der Modellreihe VHX liefert dem Anwender nicht nur vergrößerte, hochauflösende 4K-Aufnahmen, sondern bietet auch umfassende Funktionen, die für die Korngrößenanalyse von Metallgefügen erforderlich sind. Dazu gehören hochpräzise 2D- und 3D-Messungen sowie die Korngrößenmessung (automatische Berechnung der Kornanzahl gemäß Industriestandards).
Die Einfachheit dieser Analyse-Tools und die intuitive Bedienung ermöglichen es selbst unerfahrenen Anwendern, sehr genaue Analyseergebnisse zu erlangen.

In diesem Abschnitt werden Anwendungsbeispiele der Modellreihe VHX zur Analyse, Messung und quantitativen Beurteilung von Korngrößen vorgestellt.

Quantitative Beurteilung nach Industriestandards mit der Korngrößenmessfunktion

Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX kann anhand vergrößerter, hochauflösender Bilder automatisch Korngrößenkennzahlen berechnen, die den Industrienormen wie ASTM E112-13 entsprechen. Es ist auch möglich, aus der Schnittmengenzählung und der Zusatzkornzählung eine für einen metallischen Werkstoff geeignete Messmethode auszuwählen.

Ist beim visuellen Vergleich nicht eindeutig erkennbar, welcher Korngrößennummer ein Korn entspricht, so können die Analyseergebnisse zwischen verschiedenen Bedienern variieren.
Mit der Modellreihe VHX kann jedoch durch eine genaue Messung die Korngrößennummer quantitativ abgeleitet werden.

Automatische Korngrößenmessung des Metallgefüges mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
800x
800x

Geringere Beeinflussung des Metallgefüges

Wenn die Betrachtungsfläche einer Probe Unebenheiten aufweist (z. B. eine unregelmäßig polierte Oberfläche einer im Kunststoff eingebetteten Probe), kann aufgrund der begrenzten Tiefenschärfe nur ein Teil des Objekts fokussiert werden.
Mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX lassen sich dank der Tiefenzusammensetzung in Echtzeit selbst gesamte Objekte mit unebenen oder geneigten Oberflächen tiefenscharf betrachten.

Korngrößenmessung des Metallgefüges mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX
Normal
Ohne Tiefenzusammensetzung
Tiefenzusammensetzung
Tiefenzusammensetzung
Betrachtung der Metallgefügeprobe mittels Tiefenzusammensetzung
Betrachtung der Metallgefügeprobe mittels Tiefenzusammensetzung

Einfache Aufnahme von hochauflösenden Bildern mit großem Sichtfeld

Dank der Bildzusammensetzungsfunktion des Digitalmikroskops der Modellreihe VHX können mehrere Bilder während der Bewegung des Objekttischs automatisch erfasst werden. Bilddaten aus verschiedenen Sichtfeldern können schnell und ohne Versatz zu einem Bild mit bis zu 50.000 x 50.000 Pixeln zusammengefügt werden. Die Zusammensetzung kann schnell über große Bereiche erfolgen und eingesetzt werden, um einen lückenlosen Überblick über das gesamte Objekt zu erstellen und somit eine effiziente Betrachtung zu gewährleisten.

Klassisches Problem: Hohe Auflösung, aber kleines Sichtfeld
Hohe Auflösung, aber kleines Sichtfeld
Bildaufnahme mit großem Sichtfeld durch die Bildzusammensetzungsfunktion des Digitalmikroskops der Modellreihe VHX
Die Bildzusammensetzungsfunktion steuert automatisch den Objekttisch, um eine großflächige Aufnahme bei gleichzeitig hoher Vergrößerung und hoher Auflösung zu ermöglichen.
Die Bildzusammensetzungsfunktion steuert automatisch den Objekttisch, um eine großflächige Aufnahme bei gleichzeitig hoher Vergrößerung und hoher Auflösung zu ermöglichen.

Eine Vielzahl von Messfunktionen mit nur einem einzigen Gerät – von der Betrachtung des Metallgefüges bis zur Korngrößenanalyse

Zusätzlich zu den hier vorgestellten Funktionen ist das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX mit vielen weiteren nützlichen Funktionen für die Betrachtung, Analyse und Prüfung von metallischen Werkstoffen ausgestattet.
Die Modellreihe VHX bietet sowohl einfache, intuitive Bedienung als auch Multifunktionalität. Beispiele hierfür sind eine Funktion zur Glanzlichtentfernung von metalloberflächenspezifischen Lichtreflexionen sowie präzise 2D- und 3D-Messungen im Submikrometerbereich, die der Anwender einfach durch Auswahl eines vergrößerten Bildes durchführen kann.
Zudem kann Excel auf der Modellreihe VHX installiert werden. Die Berichtsfunktion der Modellreihe VHX kann Inhalte wie Aufnahmen und Messwerte automatisch in eine gewünschte Vorlage abspeichern. Mit einem einzigen Mikroskop, das eine Reihe von Aufgaben schnell und einfach erledigt, lässt sich die betriebliche Effizienz erheblich verbessern.

Für weitere Informationen zur Modellreihe VHX klicken Sie bitte auf die unten angezeigte Schaltfläche, um die Broschüre herunterzuladen. Für Anfragen klicken Sie bitte auf die entsprechende Schaltfläche, um KEYENCE zu kontaktieren.