Wie bestätigt die metallografische Analyse Materialeigenschaften nach der Bearbeitung?

Die metallografische Analyse dient als entscheidendes und unverzichtbares Werkzeug der Qualitätssicherung. Sie liefert visuelle und quantitative Nachweise über den inneren Zustand eines Werkstoffs nach der Bearbeitung und stellt eine direkte Verbindung zwischen Mikrostruktur und makroskopischen Eigenschaften her. Sie ist die zentrale Methode, um zu bestätigen, dass Bearbeitung und anschließende Wärmebehandlung den gewünschten Materialzustand erzeugt haben, ohne schädliche Anomalien einzuführen.

Der metallografische Arbeitsablauf: Vom Probenentnahme bis zum Mikroskop

Der Prozess beginnt mit der Entnahme einer repräsentativen Probe – entweder aus einem Prüfstück oder, bei kritischen Anwendungen, direkt aus dem Bauteil selbst. Diese Probe wird sorgfältig eingebettet, geschliffen, poliert und geätzt, um die Mikrostruktur sichtbar zu machen. Unter einem Lichtmikroskop oder Rasterelektronenmikroskop (REM) liefert diese vorbereitete Probe eine Vielzahl an Daten zur Bestätigung der Materialeigenschaften nach der Bearbeitung.

Wesentliche Merkmale, die durch metallografische Analyse bestätigt werden

1. Überprüfung der Wärmebehandlungsreaktion

Bei einer Superlegierung wie Inconel 718 ist das Hauptziel der nach der Bearbeitung durchgeführten Wärmebehandlung die Erzielung einer bestimmten Mikrostruktur für hohe Festigkeit und Kriechbeständigkeit. Die Metallografie bestätigt dabei:

• Bildung und Verteilung von Ausscheidungen: Sie zeigt die gleichmäßige Verteilung der festigkeitssteigernden Gamma-Doppel-Prime (γ'')-Ausscheidungen. Deren Größe, Form und Dichte bestimmen direkt die Streckgrenze des Materials.

• Korngröße und Gefügestruktur: Eine homogene, gleichachsige Kornstruktur ist meist erwünscht. Die Metallografie misst die ASTM-Korngröße, die direkt mit Festigkeit und Zähigkeit korreliert – eine feinere Kornstruktur führt in der Regel zu höherer Festigkeit und besserer Ermüdungsbeständigkeit.

• Vorhandensein unerwünschter Phasen: Sie kann die Bildung unerwünschter Phasen wie der spröden Delta-(δ)-Phase in Inconel 718 nachweisen, die bei falschem Wärmebehandlungszyklus auftreten und das Material stark verspröden kann.

2. Bewertung von Bearbeitungsschäden und Oberflächenintegrität

Eine unsachgemäße Bearbeitung kann das Material in der Randzone stark beeinträchtigen. Metallografische Querschliffe des Randbereichs sind entscheidend, um Folgendes zu erkennen:

• Plastische Verformung und „weiße Schicht“: Eine sichtbare, strukturlose weiße Schicht unter dem Mikroskop weist auf eine Zone starker plastischer Verformung und Gefügeänderung hin, verursacht durch übermäßige Hitze oder Reibung während der Bearbeitung. Diese Schicht ist häufig hart, spröde und stark zugverspannt – ein idealer Ausgangspunkt für Ermüdungsrisse.

• Mikrorisse: Die Analyse kann kleinste Risse sichtbar machen, die von der Oberfläche ausgehen und für die Ermüdungs- und Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit verheerend sind.

• Tiefe der Kaltverfestigung: Durch Untersuchung der geätzten Probe lässt sich die Tiefe der plastisch verformten und verfestigten Schicht messen, was bestätigt, ob die Bearbeitungsparameter innerhalb der zulässigen Grenzen lagen.

3. Bewertung der inneren Materialqualität

Die Analyse überprüft außerdem die Qualität des Grundmaterials selbst, um sicherzustellen, dass keine Defekte vorhanden sind, die die Leistung beeinträchtigen könnten:

• Einschlüsse: Sie identifiziert und bewertet nichtmetallische Einschlüsse (z. B. Sulfide, Oxide) gemäß Normen wie ASTM E45. Übermäßige Einschlüsse wirken als Spannungskonzentratoren und Ausgangspunkte für Risse.

• Porosität und Lunker: Jegliche innere Porosität aus dem Ausgangsmaterial oder während der Verarbeitung wird deutlich sichtbar.

• Seigerung: Sie kann chemische Inhomogenitäten im Gefüge aufzeigen, die zu inkonsistenten mechanischen Eigenschaften führen.

Von Mikrostruktur zu Makro-Performance: Die Korrelation

Die Stärke der Metallografie liegt in dieser direkten Korrelation. Ein Bauteil, das beispielsweise für die Luft- und Raumfahrt spezifiziert ist, muss eine außergewöhnliche Ermüdungslebensdauer aufweisen. Der metallografische Bericht liefert dafür den Nachweis:

• Feines, gleichmäßiges Korngefüge ohne „weiße Schicht“ und ohne Mikrorisse → bestätigt hohe Ermüdungsfestigkeit.

• Korrekte Verteilung der γ''-Ausscheidungen und keine δ-Phase → bestätigt hohe Zug- und Kriechfestigkeit.

• Sauberes Material mit minimalen Einschlüssen → bestätigt hohe Bruchzähigkeit.

Im Wesentlichen zeigt die metallografische Analyse nicht nur ein schönes Bild – sie liefert den grundlegenden, empirischen Beweis, dass das komplexe Zusammenspiel von CNC-Bearbeitung und anschließender Wärmebehandlung zu einem Bauteil geführt hat, dessen innere Struktur die geforderte Leistung und Zuverlässigkeit gewährleisten kann.