Mikrogefüge

Mikrostruktur ist die Anordnung von Kristallen, Phasen und Fehlstellen, die bei Vergrößerungen zwischen etwa 50x und 10.000x sichtbar ist, typischerweise unter einem Licht- oder Elektronenmikroskop. Sie liegt zwischen der atomaren Skala (die Transmissionselektronenmikroskopie bei 100.000x oder höher erfordert) und der makroskopischen Skala (das, was man mit bloßem Auge sieht). In diesem Zwischenbereich finden Metallurgen die Einflussfaktoren, die bestimmen, ob ein Stahlträger sich biegt oder bricht, ob eine Aluminiumbasis-Legierung Korrosion widersteht oder ob ein Kupferdraht Strom effizient leitet.

Die primären Bestandteile der Mikrostruktur sind Körner: einzelne Kristalle derselben Phase, die während der Erstarrung oder Rekristallisation entstanden sind. Jedes Korn wird von Korngrenzen begrenzt, wo Atome weniger geordnet sind. Innerhalb oder zwischen den Körnern befinden sich unterschiedliche Phasen wie Ferrit und Zementit im Stahl oder Alpha und Beta in Titanlegierungen. Einschlüsse (Oxide, Sulfide, Nitride) und Ausscheidungen (Härtungspartikel) besiedeln ebenfalls die Mikrostruktur. Größe, Form und Verteilung dieser Merkmale bestimmen mechanische Eigenschaften wie Streckgrenze, Zähigkeit, Härte und Ermüdungswiderstand.

Die Mikrostruktur wird durch Zusammensetzung, Abkühlungsgeschwindigkeit und mechanische Umformung gesteuert. Schnelle Abkühlung erzeugt feine, kleine Körner, langsame Abkühlung erzeugt grobe. Warmwalzen oder Schmieden zerlegen große dendritische Strukturen und verteilen Einschlüsse neu. Wärmebehandlung, Glühen, Härten, Anlassen, Auslagern verändern, welche Phasen vorhanden sind und wie sie verteilt werden. Ein Stahl, der langsam von 900°C abgekühlt wird, kann weiches, blockiges Ferrit und Zementit enthalten; derselbe Stahl in Wasser gehärtet wird zu hartem Martensit. Anlassen dieses Martensits bei 600°C erzeugt eine viel zähhere Mikrostruktur aus feinen Carbidpartikeln in Ferrit.

Beobachtung und Interpretation

Um Mikrostruktur zu beobachten, wird eine Probe geschnitten, in Harz eingegossen, progressiv feiner geschliffen (typischerweise mit Diamantpaste auf 0,05 Mikrometer), poliert und mit Säure oder anderem Reagens geätzt, um Korngrenzen und Phasen freizulegen. Unterschiedliche Phasen und Orientierungen ätzen unterschiedlich schnell, was unter reflektiertem Licht Kontrast erzeugt. Optische Mikroskopie funktioniert gut bis etwa 1500x sinnvoller Vergrößerung; Rasterelektronenmikroskopie (REM) geht bis 100.000x und zeigt feinere Details. Das Erscheinungsbild verrät dem erfahrenen Metallurgen, welche Wärmebehandlung angewendet wurde, welche Verarbeitungsgeschichte das Material hat und wo Schäden wahrscheinlich entstehen werden.

Übliche Fehler in der Mikrostruktur sind übermäßig grobe Körner (von Übererhitzung oder langsamer Abkühlung), Segregation (ungleichmäßige Verteilung von Legierungselementen zwischen Mitte und Rändern der Körner) und Porenbildung (Gasporen aus der Erstarrung). Nichtmetallische Einschlüsse aus dem Raffinationsprozess, Tonerde, Silikate, Mangansulfide wirken als Spannungskonzentratoren und verringern die Ermüdungslebensdauer. Der Begriff Mikrostruktur selbst entstand im frühen 20. Jahrhundert, als Metallurgen das Mikroskop als Standardwerkzeug einführten und erkannten, dass Eigenschaften nicht allein durch die chemische Zusammensetzung bestimmt wurden, sondern dadurch, wie diese Zusammensetzung auf der Mikrometer-Skala angeordnet war.