Metallographie ist die Lehre vom Gefügeaufbau der Metalle. Allerdings bevorzugt man mittlerweile aufgrund der zunehmenden Anzahl von Verbundwerkstoffen sowie dem Aufkommen neuer Werkstoffe (Keramik/Metall-Systeme, Metall/Kunststoff-Systeme, etc.) die Bezeichnung „Materialographie“. Die Einsatzgebiete der Metallographie bzw. Materialographie liegen hauptsächlich in der Qualitätssicherung und Schadensfallanalytik sowie in Forschung und Entwicklung.
Die Aufgabe des Metallographen bzw. Materialographen ist es, mittels makro- und mikroskopischer Verfahren das Gefüge eines Werkstoffs zu beschreiben. Denn Metalle weisen – ebenso wie nichtmetallische Kristalle wie der Quarz-Bergkristall u.a. – eine kristalline Struktur auf, die sich qualitativ und quantitativ erfassen lässt.
Um ein Material untersuchen und verbindliche Aussagen über seine Qualität treffen zu können, muss zunächst ein Anschliff erzeugt werden. Dieser kratzerfreie, zur makro- und/oder mikroskopischen Beobachtung geeignete Schliff muss eine repräsentative, randscharfe und plane Fläche des zu untersuchenden Werkstoffes haben, die eindeutig dessen Gefüge erkennen lässt. Darum muss bei der Probenerstellung vor allem darauf geachtet werden, dass keinerlei Kratzer, Ausbrüche, Verschmierungen oder Verformungen auftreten. Die Probenpräparation erfolgt in der Regel in sechs Schritten: Trennen, Einbetten, Schleifen, Polieren, Ätzen und Mikroskopieren. Abschließend erfolgt die Auswertung der Probe mittels Makro- oder Mikroskopie sowie ggf. die Härteprüfung.
Trennen
Im ersten Schritt wird der zu prüfende Werkstoff mittels eines Trenngerätes (z. B. einer Nasstrenn-Schleifmaschine der Reihe „Brillant“) und des entsprechenden Spannwerkzeugs an einer zuvor genau bestimmten Stelle getrennt und eine Materialprobe entnommen. Ist die Probe groß genug, kann sie ohne weitere Bearbeitung mittels eines Probenhalters eingefasst und daraufhin geschliffen und/oder poliert werden.
Sonderspannwerkzeuge
Die unterschiedlichsten Materialien und Geometrien müssen fest im Trennraum des Nasstrenngerätes fixiert werden. Neben dem Standardsortiment sind Sonderspanner manchmal die einzige Lösung, z.B. der Takspanner für das Trennen von CFK, GFK oder Titan.
Einbetten
Kleinteilige Proben hingegen müssen zur besseren Handhabung und/oder zum Randschutz zunächst eingebettet werden, was entweder mittels des Kalt- oder Warmeinbettens geschieht. Bei letzterem wird die Probe in einer sogenannten Einbettpresse wie zum Beispiel der Warmeinbettpresse „Opal“ eingebettet. Während dieses Vorgangs wird die Probe von speziellen Kunststoffgranulaten (diverse Duro- oder Thermoplaste) umhüllt, die dann mittels Druck und Hitze geschmolzen werden. Auf diese Weise wird die Probe spaltfrei umschlossen und ist für den nächsten Präparationsschritt optimal vorbereitet.
Schleifen und Polieren
Um das Gefüge der Materialprobe sichtbar zu machen, muss die Oberfläche zunächst geschliffen und später poliert werden.
Der Schleif- und Polierprozess erfolgt mittels eines Schleif- und Poliergeräts: entweder von Hand, wie zum Beispiel beim Vorschleifen auf einem Bandschleifgerät („Jade“), oder aber – was heute die Regel ist – automatisch. Im Gegensatz zum händischen Schleifen und Polieren, wird beim automatischen Schleifen die Probe in einen Probenhalter gespannt und von einem Schleif- und Polierkopf („Rubin“) gegen das Schleifmedium (Schleifpapier, Schleifscheibe etc.) gedrückt. Dabei liegt das Schleifmedium auf einer Arbeitsscheibe auf. Bei jedem neuen Schleifschritt wird ein Schleifmedium feinerer Körnung benutzt, um so schrittweise die vorhandenen verformten Schichten abzutragen. Nach jedem Schritt muss die Probe um 90° gedreht werden, um so die Schleifriefen des zuvor benutzten Mediums zu beseitigen. Während des gesamten Prozesses sorgt die Verwendung von Schmier- und Kühlflüssigkeit dafür, dass die Probe gekühlt und ausgebrochene Schleifkörner entfernt werden. Zwischen den einzelnen Schleifstufen sollte die Probe regelmäßig mit Wasser und Alkohol gereinigt werden, um zu verhindern, dass gröbere Schneidkörner und Abrieb in den nächsten Schleifschritt verschleppt werden.
Beim darauf folgenden Polieren mithilfe diverser Poliertücher, werden die durch den Schleifprozess verursachten Schleifriefen beseitigt sowie die häufig noch vorhandene dünne Verformungsschicht weiter abgetragen. Dabei dient Diamantsuspension in poly- oder monokristalliner Form als Poliermittel. Vor allem bei einem hohen Probenaufkommen ist der Einsatz eines Schleif- und Polierautomaten (z. B. im Systemlabor oder auch beim Systemautomat) von Vorteil.
Ätzen
Bereits nach Beendigung des letzten Politurschritts können aufgrund der unterschiedlichen Reflexion erste Aussagen über die Reinheit des Materials gemacht werden. Um die Gefügestruktur sichtbar zu machen, muss die Probe in einem weiteren Präparationsschritt entweder manuell per Eintauchen in Ätzflüssigkeit oder unter Einsatz eines elektrolytischen Ätzgeräts wie dem Modell „Kristall“ kontrastiert werden. Das je nach Werkstoff verwendete Ätzmittel verändert dabei das Reflexionsverhalten der Gefügebestandteile so, dass eine optische Unterscheidung möglich wird. Nach erfolgtem Ätzen wird die Probe mit Alkohol abgespült und unter einem warmen Luftstrom schnell und gründlich getrocknet
Mikroskopieren und Auswerten
Ist das Gefüge auf diese Weise korrekt kontrastiert, kann nun die Probe beurteilt werden. Mittels Betrachtung unter dem Makro- oder Mikroskop sowie Auswertung per modernster Bildanalyse- und Bildarchivierungsprogramme können so Aussagen z. B. über Wärmebehandlungszustand, Schweißnähte, Gefüge und die Güte des Materials gemacht sowie in vielen Fällen Rückschlüsse auf den Herstellungsprozess und/oder Fehlerursachen bei Schadensfällen gezogen werden.
Bei der Härteprüfung mit einem Härteprüfer (Mikro- und Universalhärtprüfer) kommen alle gängigen Prüfverfahren nach Vickers, Brinell, Rockwell oder Knoop zum Einsatz.
