Mikroskopische Untersuchung von Proben

Mikroskopie

Untersuchung von Proben

Die Mikroskopie wird zur Prüfung von Proben mittels optischer oder digitaler Vergrößerung verwendet, um dadurch kleinste Merkmale besser erkennen zu können. Dagegen werden bei der Makroskopie die Proben mit dem bloßen Auge untersucht.

Die Lichtmikroskopie wird zur Prüfung von Gefügen mit Vergrößerungen bis zu 1.000x verwendet. Mit der Elektronenmikroskopie können Vergrößerungen von bis zu 500.000x erreicht werden. Sie wird üblicherweise für die Fehleranalyse verwendet, kommt aber auch in F&E-Labors und Lehranstalten zum Einsatz.

Formen der Mikroskopie

Bei der materialographischen Prüfung kommen vier Formen der Mikroskopie zum Einsatz, je nachdem, welches Werkstück für welchen Zweck untersucht werden soll. Diese sind nachstehend kurz erläutert.

Lichtmikroskopie
Bei der Lichtmikroskopie werden entsprechend den Eigenschaften des Werkstoffs verschiedene Filter zur Verbesserung des Kontrasts und zum Hervorheben bestimmter Merkmale verwendet. Hierbei werden Vergrößerungen im Bereich von üblicherweise 2,5x bis 1.000x genutzt. In der Materialographie werden Proben in der Regel im Auflicht untersucht, mineralogischer Proben hingegen im Durchlicht.

Stereomikroskopie
Das Stereomikroskop ist ein Lichtmikroskop für die Betrachtung von Proben mit geringer Vergrößerung in dem von der Oberfläche der Probe reflektierten Licht.

Rasterelektronenmikroskopie
Das Rasterelektronenmikroskop (REM) ist ein Elektronenmikroskop, mit dem Abbildungen einer Probe durch Abtasten der Probenoberfläche mit einem fokussierten Elektronenstrahl erstellt werden. Die Wechselwirkungen zwischen den Atomen der Probe und den Elektronen erzeugen Signale, die in Informationen über die Oberflächentopographie und Zusammensetzung der Probe umgewandelt werden.

Transmissionselektronenmikroskopie
Bei der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) wird ein Elektronenstrahl durch eine ultradünne Probe gesendet, wobei die Elektronen im Strahlengang mit der Probe in Wechselwirkung treten. Die erzeugten Signale werden in Informationen über unter anderem die Art und Ausrichtung einzelner Kristalle umgewandelt.

Optical microscopy
Lichtmikroskopie
Scanning electron Microscopy
Rasterelektronenmikroskopie
Stereo Optical Microscopy
Stereomikroskopie
Transmission Electron Microscopy
Transmissionselektronenmikroskopie

Lichtmikroskopie in der Praxis

Probenpräparation für Lichtmikroskopie

1. Präparation der Probe

Die Lichtverhältnisse bei der Untersuchung in Durchlicht bzw. Auflicht werden durch den Zustand der Oberfläche bestimmt. Akzeptable Werte sind durch Art und Größe des zu untersuchenden Merkmals vorgegeben.

Die erforderliche Oberflächenqualität und der notwendige Kontrast können nur durch die korrekte Probenpräparation erzielt werden.

Lichtquelle für Mikroskopie

2. Lichtquelle

Das Abbild der Oberfläche ist das Ergebnis der Wechselwirkungen zwischen Licht und Oberfläche. Mit Lichtquellen, wie LED-, Halogen- oder Quecksilberdampflampen, kann zusammen mit unterschiedlichen Beleuchtungsarten, wie koaxialem Licht, Ringlicht oder Punktlicht, eine breite Auswahl an Oberflächen auf Merkmale, wie beispielsweise Rauheit, Farbe und Ausrichtung, untersucht werden.

Bei der Untersuchung komplexer Topographien ist eine korrekte Beleuchtung unabdingbar.

3. Filter

Die gängigste Mikroskopiertechnik ist die Hellfeldmikroskopie (HF), bei der Einzelheiten nur anhand ihres unterschiedlichen Reflexionsvermögens dargestellt werden.

Mit Mikroskopietechniken wie der Dunkelfeldmikroskopie (DF), der Differentialinterferenzkontrastmikroskopie (DIC) und der Polarisationsmikroskopie lassen sich Einzelheiten erkennen, die mit der HF-Technik nicht sichtbar sind.

Die Wahl der Filter hängt bei der Lichtmikroskopie von der Art der Oberfläche und der zu untersuchenden Eigenschaften und Einzelheiten ab.
Kontrasttechnik für Kunststoffschichten bei Dunkelfeldmikroskopie

Dunkelfeldmikroskopie – Kunststoffschichten

Die unterschiedlichen Farben von Kunststoffschichten sind im Dunkelfeldmikroskop klar erkennbar.

Dunkelfeldmikroskopie, halbdurchlässige Phasen

Dunkelfeldmikroskopie – Polierqualität

Feinste Kratzer, Poren und Ausbrüche lassen sich mit der DF-Technik besser erkennen als mit der HF-Technik. Unregelmäßigkeiten, wie Poren oder Risse, reflektieren das Licht zurück zur Linse, glatt polierte Bereiche bleiben dunkel. Diese Technik eignet sich insbesondere zur einfachen Unterscheidung von Poren und Einschlüssen, dem Verlauf sehr feiner Risse und der Beurteilung der Polierqualität.

Dunkelfeldmikroskopie, halbdurchlässige Phasen

Dunkelfeldmikroskopie – halbdurchlässige Phasen

Halbdurchlässige Phasen werden anhand ihrer Farbe identifiziert. Kupferoxideinschlüsse (Cu2O) sind im Hellfeld beispielsweise grau, lassen sich in der Kupfermatrix aber im Dunkelfeld anhand ihrer granatroten Farbe erkennen.

Polarisationsmikroskopie

Polarisiertes Licht

Verwendungszweck:
- Kontrastdarstellung der Struktur optisch anisotroper Metalle, die sich nur schwer ätzen lassen, wie bestimmte Titan- und Zinnlegierungen, Beryllium oder Uran
- Identifizierung zahlreicher intermetallischer Verbindungen und Schlackeeinschlüsse anhand ihrer charakteristischen anisotropen Effekte
- Differenzierung von optisch anisotropen und isotropen Phasen
- Untersuchung optisch isotroper Metalle, falls deren Oberfläche durch Ätzen (beispielsweise Eloxieren) optisch aktiv gemacht werden kann

Differenzielle Interferenzkontrastmikroskopie

Differenzieller Interferenzkontrast

Mittels der DIC-Mikroskopie wird ein Reliefkontrast erstellt, in dem beispielsweise spezielle intermetallische Phasen anhand ihrer Morphologie erkannt werden können.

Fluoreszenzmikroskopie

Fluoreszenz

In der Fluoreszenzmikroskopie bleiben die Teile einer Probe, die nicht fluoreszieren, dunkel. Damit lassen sich beispielsweise sehr leicht Risse oder Poren erkennen, wenn beim Einbetten ein fluoreszierender Farbstoff zugegeben wurde.

4. Bilderfassung

Zusätzlich zu den obigen Ausführungen ist zu beachten, dass die Erkennung des wahren Gefüges auch von Faktoren abhängt, die während der eigentlichen Bilderfassung maßgeblich sind. Hierzu gehören insbesondere die Belichtung und der Weißabgleich.

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Helle Michaelsen

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Holger Schnarr

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Ulrich Setzer

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Materials Engineer, Degree of Technical Assistant for Metallography and Material Science,
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Willich, Germany
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Tech. Ass. Metallography and Material Science,
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