Text - Fraunhofer

Presseinformation
Fraunhofer Vision auf der Control 2009 (5. - 8. Mai)
Halle 1, Stand 1502
Schnelle 3-D-Analyse von Gefügemerkmalen
Möglichkeiten der höchstauflösenden Röntgencomputertomographie zur
Analyse von Gefügemerkmalen metallischer Werkstoffe
Bisherige Methoden zur Bestimmung und Analyse von Gefügemerkmalen (zum
Beispiel Dendritenarmabstände, Korngrößen, Korngrenzen) in metallischen
Legierungen basieren auf zweidimensionalen Schnitten. Die Bestimmung der
dreidimensionalen Ausprägung kann aufgrund der notwendigen metallografischen
Präparation mit einem hohen zeitlichen Aufwand verbunden sein. Dies trifft
insbesondere dann zu, wenn es um die räumliche Verteilung von Gefügeelementen
geht, die auf der Basis zweidimensionaler Schnitte dokumentiert werden muss. Ein
weiterer Nachteil ist die aus der Analyse resultierende Zerstörung des Werkstückes.
Neuere Entwicklungen im Bereich der industriellen Röntgentechnik ermöglichen es,
Strukturen in der Größenordnung von wenigen Mikrometern zu erfassen und
darzustellen. Durch die Verwendung spezieller Röntgentargets in
doppelfokussierenden Mikrofokusröntgenröhren können extrem kleine
Röntgenbrennflecke im Bereich um 1 µm Größe erreicht werden. Dadurch ist es
möglich, mittels Computertomographie (CT) einen 3-D-Volumendatensatz von
Werkstoffproben mit einer Voxelgröße von unter 1 µm Kantenlänge zu generieren.
Der Vorteil dieses volumengebenden Verfahrens liegt in der Möglichkeit der 3-DAnalyse der Werkstoffprobe ohne Umweg über 2-D-Schliffbilder. Durch Anätzen des
metallurgischen Schliffs wird der für die optische Analyse notwendige Kontrast
erzeugt. Der Kontrast der unterschiedlichen Bestandteile der Legierung wird in der
Computertomographie durch die Unterschiede im Röntgenabsorptionsverhalten der
Gefügebestandteile erzeugt, was eine sehr sorgfältige Auswahl der
Aufnahmeparameter in Abhängigkeit der Legierung für die CT notwendig macht.
Speziell für die Gruppe der Legierungen, die in der Automobilindustrie für die
Herstellung von Komponenten für Verbrennungsmotoren (Zylinderköpfe,
Motorblöcke) verwendet werden, ist eine Untersuchung des Gefüges von starkem
Interesse, da die Gefügemerkmale Aufschluss über das Festigkeits- und
Ermüdungsverhalten der Werkstoffe geben. Als exemplarische Beispiele aus dieser
Gruppe seien hier AlSi6Cu4, AlSi7Mg0,3 und AlSi7Cu3Mg genannt. Die
Metallographie bedient sich dabei unterschiedlicher Methoden, die eine
Charakterisierung des Legierungsgefüges ermöglichen. Die Festigkeit und Güte einer
Al-Si-Legierung kann anhand der vorliegenden Mikrostrukturen, deren Morphologie
und Verteilung im Gefüge sowie anhand von Porositäten beurteilt werden. In der
Abbildung rechts ist eine lichtmikroskopische Aufnahme eines Schliffes einer Al-SiCu-Legierung dargestellt. Erkennbar sind die Mikrostrukturen mit einer dendritischen
Primärphase (helle Bereiche) sowie einer eutektischen Phase im interdendritischen
Bereich. Für die Untersuchung der dendritischen Ausprägung können zwei
charakteristische Größen herangezogen werden: Der sekundäre
Dendritenarmabstand (SDAS) sowie der primäre Dendritenarmabstand (DAS). Diese
beiden charakteristischen Größen geben Auskunft über die Beschaffenheit und
Ausbreitung von Dendriten, aus denen Materialeigenschaften wie Festigkeit und
Ermüdungsverhalten abgeleitet werden können.
Stand der Technik
Zur Untersuchung von Gefügemerkmalen wie den SDAS, DAS, Phasenverteilungen
als auch Porositäten werden in der Metallographie zweidimensionale bildgebende
Verfahren eingesetzt. Üblicherweise werden statistische Methoden auf der Basis von
2-D-Schnitten angewendet, die jedoch eine individuelle Ausprägung von Phasen nur
eingeschränkt berücksichtigen. Eine dreidimensionale Untersuchung einzelner
Bestandteile ist prinzipiell über die Kombination von 2-D-Einzelmessungen
realisierbar, in der tatsächlichen Umsetzung jedoch nur eingeschränkt möglich. Dies
gilt insbesondere für die erzielbare Auflösung in der dritten Dimension, die von der
Größe des zu bestimmenden Elementes und der Anzahl realisierbarer 2-D-Schnitte
durch dieses Element abhängt. Die Kombination ist aufwändig und wird kaum
realisiert. Standarduntersuchungsmethoden sind die Lichtmikroskopie sowie
Elektronenmikroskopie, die mit Hilfe einer geeigneten Probenpräparation eine
zweidimensionale Betrachtung des Materialgefüges ermöglichen. Diese Verfahren
zeichnen sich besonders durch eine hohe erzielbare Auflösung von weniger als 0,1
µm aus. Zur Gefügeuntersuchung mittels Lichtmikroskopie erfolgt die
Probenpräparation durch metallographischen Schliff, anschließender Politur und
Anätzen der Oberfläche, was zur Erhöhung des Kontrastes zwischen den einzelnen
Gefügebestandteilen führt.
Anders als bei der Auflichtmikroskopie und den hier angewandten
kontrastspezifischen Ätzverfahren ist der in einer CT erzielbare Kontrast allein auf die
atomaren Eigenschaften der Gefügebestandteile zurückzuführen. Anhand dieser
materialspezifischen Absorptionskoeffizienten lassen sich, ähnlich einer EDXAnalyse, unterschiedliche Bestandteile im rekonstruierten Volumen trennen und in
ein relatives Verhältnis zu einander bringen. Diese Analyse der Bestandteile lässt
Schlüsse auf die unterschiedlichen Phasen der Legierung zu und über den Abgleich
mit EDX-Ergebnissen auf deren quantitative Verteilung im 3-D-Volumen (Abbildung
rechts).
Die Fraunhofer-Allianz Vision ist ein Zusammenschluss von Fraunhofer-Instituten zu
den Themen Bildverarbeitung, optische Inspektion und 3-D-Messtechnik,
Röntgenmesstechnik und zerstörungsfreie Prüfung.
Bilder in Druckqualität:
Bild 1 (ezrt_3danalyse_bild1.tif): 3-D-Darstellung einer AlSi12-Legierung (Quelle:
Fraunhofer EZRT).
Bild 2 (ezrt_3danalyse_bild2.tif): Lichtmikroskopische Aufnahme eines Schliffs einer
Al-Si6-Cu4,71-Legierung (Quelle: Fraunhofer EZRT).
Bild 3 (ezrt_3danalyse_bild3.tif): Lichtmikroskopische-Aufnahme einer AlSi6Cu4Probe (Quelle: Fraunhofer EZRT).
Bild 4 (ezrt_3danalyse_bild4.tif): CT-Aufnahme einer AlSi6Cu4-Probe,
Kontrastauflösung lässt Unterscheidung von bis zu vier Phasen in AlSi6Cu4 zu
(Quelle: Fraunhofer EZRT).
Bild 5 (ezrt_3danalyse_bild5.jpg) und Bild 6 (ezrt_3danalyse_bild6.jpg): Weitere
Bildbeispiele: 3-D-Darstellung einer AlSi-Legierung (Quelle: Fraunhofer EZRT).
Pressekontakt:
Fraunhofer-Allianz Vision
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Am Wolfsmantel 33
91058 Erlangen
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