Prakt. Met. Sonderband 50 (2016) 185
3D-Bruchflichen-Metallographie mit REM und Photogrammetrie
Martin Fischer‘, Fabian Mariano’
'IWT Solutions AG, Aachen
? Rheinisch-Westfilische Technische Hochschule Aachen (RWTH)
Zusammenfassung
Bruchflächen sind dreidimensionale Strukturen, die jedoch im Rasterelektronenmikroskop
üblicherweise nur zweidimensional abgebildet werden. Die gebrochene Oberfläche einer CT-Probe
wurde mit einem REM großflächig und hochauflösend untersucht und anschließend mittels
Photogrammetrie dreidimensional nachmodelliert. Durch Projektion auf die modellierte Struktur
konnten die REM-Daten mit den Höheninformationen der Bruchfläche kombiniert werden. So war
es möglich, die Bruch-Mikrostruktur räumlich abzubilden.
Einleitung
In der Bruchmechanik und der Schadensanalyse ist die Betrachtung von Bruchflächen
grundlegender Bestandteil der Arbeiten. Standardverfahren wie die Rasterelektronenmikroskopie
ermöglichen die hochaufgelöste und detaillierte Untersuchung der Bruchflächen. Der Nachteil von
Untersuchungen mit dem REM oder auch mit der Lichtmikroskopie ist, dass derartige Oberflächen
dreidimensionale Strukturen darstellen. Durch die Abbildung dieser Strukturen in zwei
Dimensionen gehen die Höheninformationen verloren. So entsteht eine unvollständige und verzerrte
Abbildung der Wirklichkeit. Zum einen sind die Informationen über räumliche Ausrichtungen von
Oberflächenstrukturen unvollständig. Zum anderen bewirken die Höhendifferenzen und
unterschiedlichen Schräglagen auf der Bruchfläche, dass einzelne Bereiche im 2D-Bild jeweils
unterschiedlich perspektivisch verzerrt sind und dadurch unterschiedlich große reale Flächen
repräsentieren. Gerade bei REM-Aufnahmen kann es schwierig oder unmöglich sein, dieses zu
erkennen. Diese fehlenden Informationen können bei Nichtbeachtung im schlimmsten Fall zu
fehlerhaften Interpretationen und Schlussfolgerungen führen.
Um die fehlenden 3D-Informationen über Oberflächenstrukturen wie Bruchflächen zu erhalten, gibt
es Verfahren wie die Rasterkraftmikroskopie!'! und die Weißlichtkonfokalmikroskopie!”. Diese
beiden Verfahren sind jedoch nur in einem begrenzten Bereich anwendbar. Die
Rasterkraftmikroskopie operiert bei sehr hohen Vergrößerungen (bis hin zu atomarer Auflösung)
und ist daher für großflächige Betrachtungen nicht geeignet. Die Auflösung der
Konfokalmikroskopie wiederum hängt von den verwendeten Linsen ab. Bei diesem Verfahren kann
jedoch der geringe Abstand von Linse zu Oberfläche problematisch werden, wenn die
Höhenunterschiede der Oberflächenstrukturen zu groß sind. Dies kann gerade bei Bruchflächen und
bei höheren Auflösungen der Fall sein. Es kann schnell zu Berührungen kommen, wodurch eine
Messung unmöglich wird. Ein weiterer Faktor für beide Untersuchungsmethoden ist die
eingeschränkte Verfügbarkeit der entsprechenden Geräte.
Ein weiteres Verfahren, das sich vor allem außerhalb der Metallographie etabliert hat, ist die
Photogrammetrie. Diese wird inzwischen in vielen Gebieten eingesetzt, wie beispielsweise in der
Archäologie zur digitalen 3D-Nachbildung von Fundstücken oder zur virtuellen Erfassung,