Henry Clifton Sorby - Begründer der klassischen Metallographie

Mit einem Abstract über die Herausbildung der Technikwissenschaft Metallographie, nebst Originalquellen, Schrifttumstipps, Literaturregister

Wolfgang Piersig

Inhaltsverzeichnis

▪ Bildprolog für Sorbys Leistungen. ... 3

▪ Zitate zur Metallographie. ... 4

▪ Inhaltsverzeichnis. ... 5

▪ Vorwort. ... 7

▪ Begründung der Metallographie vor rund 145 Jahren durch den Privatgelehrten Henry Clifton Sorby. ... 8

▪ Sorby, über Structur von Eisen und Stahl. ... 18

▪ Henry Clifton Sorby in The Metallographist. ... 19

▪ Die Anfänge der Metallographie von Otto Vogel – Kapitelzusammenstellung aus Stahl und Eisen. ... 24

▪ Die Anfänge der Metallographie und ihr Entwicklungsstand Ende des Jahres 1917 nach Professor Otto Vogel aus Stahl und Eisen. ... 25

▪ Erinnerungen an den Nestor der Materialprüfungen der Technik Adolf Martens. ... 76

▪ Adolf Martens: Ueber die mikroskopische Untersuchung des Eisens. ... 83

▪ Adolf Martens: Ueber das mikroskopische Gefüge und die Krystallisation des grauen Roheisens. ... 95

▪ Ein Stenogramm zur Person und den wichtigsten Leistungen von Emil Heyn. ... 108

▪ Ueber die Prüfung des rohen und verarbeiteten Stabeisens nach Dr. Meyer vom Maschinendirector Brendel in Freiberg. ... 113

▪ Zeittafel zu den Möglichkeiten der Metallbetrachtungen. ... 134

▪ Auszeichnungstabelle der bisherigen Empfänger von Sorby-Medaillen. ... 136

▪ Ausgewählte Berufungen, Ehrungen, Auszeichnungen Henry Clifton Sorbys. ... 137

▪ Zeittafel – Adolf Martens. ... 138

▪ Schrifttumsempfehlungen zur Metallographie und Metallkunde - Überblick. ... 141

▪ Schrifttumsempfehlungen zur Metallographie und Metallkunde - Einzelquellen. ... 142

• Einschätzung zur Metallographie durch Adolf Ledebur, Königlich-Sächsische Bergakademie zu Freiberg, als sich Emil Heyn ihr zuwandte – 1897. ... 142

• Handbuch der Materialienkunde für den Maschinenbau - Materialprüfungswesen, Probirmaschinen und Messinstrumente von Adolf Martens, Buchbesprechung in der Zeitschrift Eisen und Stahl - 1898. ... 144

• Die Metallographie im Dienste der Eisenhüttenkunde von Emil Heyn, Buchbesprechung in der Zeitschrift Eisen und Stahl - 1903. ... 145

• Die Metallographie im Dienste der Hüttenkunde von Emil Heyn, Buchbesprechung von Fr. Fröhlich in der Zeitschrift des VDI - 1903. ... 147

• Die Metallographie im Dienste der Hüttenkunde von Emil Heyn, Buchkritik von Otto Doeltz in der Berg- und Hüttenmännischen Zeitung - 1904. ... 149

• Über die Nutzanwendung der Metallographie in der Eisenindustrie, Vortrag von Emil Heyn, veröffentlicht in der Zeitschrift Stahl und Eisen – 1906. ... 150

• Metallographie in elementarer Darstellung von R. Ruer, Buchkritik von Emil Heyn in der Zeitschrift Stahl und Eisen - 1907. ... 153

• Handbuch der Materialienkunde für den Maschinenbau. Die technisch wichtigen Eigenschaften der Metalle und Legierungen. Die wissenschaftlichen Grundlagen für das Studium der Metalle und Legierungen. Metallographie. Von Emil Heyn - 1912. ... 155

• Die Theorie der Eisen-Kohlenstoff-Legierungen von Emil Heyn – Herausgeber: Erich Wetzel. Buchbesprechung von Georg Masing in Die Naturwissenschaften - 1924. ... 159

▪ Literaturverzeichnis. ... 161

▪ Literaturquellenerläuterung. ... 172

▪ Vita des Autors. ... 173

▪ Abstract. ... 175

▪ Raum für Notizen. ... 176

Begründung der Metallographie vor rund 145 Jahren durch den Privatgelehrten Henry Clifton Sorby.

Zu entdecken, die Ursachen der Dinge, war stets sein Ziel.

Bekanntlicherweise gibt das Mikrogefüge über eine große Zahl von allgemeinen sowie speziellen Materialeigenschaften Auskunft; deshalb ist eine metallographische Untersuchung in der Forschung wie auch Praxis von größter Bedeutung. Über den ersten, nämlich Henry Clifton Sorby, der das „wahre Gefüge“ von Stahl mikroskopisch, d. h. genauer gesagt metallographisch, untersuchte und der als Nestor der klassischen Metallographie gilt, dem ist dieser Beitrag gewidmet.

Dahin zu kommen war ein langer Weg für die frühen Schmelzer, Schmiede, überdies für alle Metallurgen sowie Metallarbeiter. Ausgehend von den im Dunkel der Historie liegenden ersten Anfängen der Metallographie offenbarten sich über 10000 Jahre ihnen die Metallbruchgefüge, die sie nur mit bloßem Auge betrachten konnten; darin schulten sie aber jahrtausendlang ihr handwerkliches Geschick (s. a. d. Tafel Seite 169 und 170).

Erste Metallbetrachtungen mittels optischer Mittel, wie mit der Lupe sind seit der Zeit von Vannoccio Biringuccio (1480-1537?) und Georgius Agricola (1494-1555) zu vermuten, nachweislich eingesetzt haben sie Robert Boyle (1627-1691) und Sir Isaac Newton (1643-1727). Über die Anwendung eines Vergrößerungsglases berichten auch Pierre-Clément de Grignon (1723-1783) im Jahre 1761, Louis-Bernard Guyton de Morveau (1737-1816) im November des Jahres 1776, Joachim Graf von Sternberg (1763-1830) im Jahre 1795 und 1801 Johann Wilhelm Albrecht Tiemann (1774-1841). Letzter wie auch August Friedrich Alexander von Eversmann (1759-1837) kannten auch die Anwendung von Säuren zum Ätzen der Bruchgefüge.

Aber das Mikroskop wurde allerdings zuerst von Robert Hooke (1635-1703), René- Antoine Ferchault, Seigneur de Réaumur (1683-1757), Sven Rinman (1720-1792), Jean Robert Bréant wie auch später von Alois Beckh von Widmanstätten (1753-1849), Pawel Petrowitsch Anossow (1797-1851), folgend vornehmlich für die Metalle und ihre Legierungen von Adolf Martens (1850-1914) sowie Emil Heyn (1867-1922) wie auch Dimitri Konstantinowitsch Tschernow (1839-1921), William Chandler Roberts-Austen (1843-1902), Floris Osmond (1846-1912), Henry Marion Howe (1848-1922), Henry Louis Le Chatelier (1850-1936), Thomas Andrews, John Edward Stead (1851-1921), Albert Sauveur (1863-1939) u. a. genutzt.

Eine der ersten Anwendungen des Mikroskops bei der Metalluntersuchung beschreibt im 17. Jahrhundert der Physiker und Mathematiker Hooke in seiner 1665 in London erschienenen Schrift „Micrographia“ [1]. Darin charakterisiert er auch das Aussehen von auskristallisiertem Blei und veranschaulicht außerdem im gezeichneten Bild die vergrößerte Oberfläche einer polierten Rasierklingenschneide und Nadelspitze in hundertfacher Vergrößerung. Verwendung fand von ihm das erste zusammengesetzte, mit Beleuchtungsapparat für undurchsichtige Objekte ausgestattete Mikroskop, wodurch es besonders für die Untersuchung der Metalle geeignet war [22].

Im 18. Jahrhundert war es dann der französische Physiker und Zoologe Réaumur, der sich mit der Anwendung des Mikroskops zur Untersuchung von Metalloberflächen bzw. Metallbruchgefügen beschäftigte, wie dies aus seiner 1722 in Paris veröffentlichten Essay: „L`art de convertir le fer forgé en acier et l`art d`adoucir le fer fondu“ [2] und den darin befindlichen Betrachtungen zur Struktur der Oberfläche von Stahl sowie weißem und grauem Gusseisen wie auch seiner aufgestellten Theorie zur Stahlhärtung, die sich auf seine mikroskopischen Betrachtungen stützt, hervorgeht.

Bekannt geworden sind sowohl ein Bericht von dem Schweden Sven Rinman über das Ätzen von Eisen und Stahl [34], den er 1774 in den Verhandlungen der Kgl. Schwedischen Akademie der Wissenschaften veröffentlichte, wie auch seine ausführliche Beschreibung über die Prüfung des Eisens mittels Ätzen mit Säuren, welche in seinem 1782 erschienenen zweibändigen Buch „Försöktill Järnets Historia med Tillän pning för Slögder och Handtwerk“ [35] enthalten ist. Diese letztere Arbeit - Die Geschichte des Eisens mit Anwendung für Künstler und Handwerker - hat die frühe Metallographie auch in Deutschland, wie Franz Wever in [32] zum Ausdruck bringt, relevant beeinflusst.

Anfang des 19. Jahrhunderts war es dann der österreichische Naturwissenschaftler und Direktor des von Kaiser Franz I. [von Österreich] (1768-1835) gegründeten k. k. Fabriksproduktenkabinetts von Widmannstätten (mit vollem Namen und Titel Alois Joseph Xaver Beckh, Edler von Widmanstetter), der Steine, die vom Himmel fielen, schliff, mit Salpetersäure ätzte, was zu sichtbaren Lamellenmuster führte [3], [22].

Diese neue Form der makroskopischen Gefügebetrachtung veröffentlichte er nicht selbst, sondern sein Freund Karl Franz Anton Ritter von Schreibers (1775-1852), ebenfalls Naturwissenschaftler und Leiter des Hof-Naturalien-Cabinetts, der die durch Anwärmen an Luft entwickelten Gefüge von Metallmeteoriten als „Widmanstättensche Figuren“ in der Öffentlichkeit 1820 bekannt machte [3]. Auch Wilhelm Ritter von Haidinger (1795-1871) berichtete 1855 und 1859 darüber [39], [40].

Weiterhin zählt auch der bekannte russische General und Metallurge Anossow [21] mit zu den Männern, die in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts die Grundlagen für die spätere eigenständige Wissenschaft von der Gefügelehre der Metalle und Legierungen, legten. Er betrachtete in der Waffenfabrik von Slatoust Makro- wie auch Mikrogefüge. Seine ersten mikroskopischen Untersuchungen von angeätzten Stahloberflächen werden von Alexander Sergejewitsch Fjodorow bzw. N. Belaies mit dem Jahr 1831 angegeben.

Weder die möglicherweise schon im 13. Jahrhundert bekannte Lupe noch das scheinbar zu Beginn des 17. Jahrhunderts geschaffene Mikroskop gestatteten bis in die Mitte des 19. Jahrhunderts eine Betrachtung der Metallmikrogefüges, lediglich war mit ihnen ein Makrogefügebeschau gegeben. Reichte dies bis in die Zeit der beginnenden industriellen Revolution noch aus, so war diese im durch Henry Bessemers (1813-1898) eingeleiteten Flussstahlalter nicht mehr ausreichend.

Der Erste, dem durch metallographische Untersuchungen der Einblick ins Feingefüge der Metalle gelang, dies war Henry Clifton Sorby, der in vielerlei Hinsicht ein Materialwissenschaftler war. Sein Todestag jährt sich am 9. März 2009 zum einhundertersten Male, und seine Tagebucheintragung vom 28. Juli 1863, also vor rund 145 Jahren, datierte den Partus der wissenschaftlichen Metallographie. Darüber trug er auch im Frühjahr 1864 in der Sheffield Literary and Philosophical Society [4] und im Herbst des gleichen Jahres in der British Association vor [5]. Beschrieben hat er seine Untersuchungstechnik in einem Kapitel des Buches „How to work with a Microscope“, das Lionel S. Beale [6] 1868 herausgab. Seine ersten Gefügeaufnahmen machte er mit dem Sheffielder Fotografen Charles Hoole 1864, die er aber erst 1887 veröffentlichte.

Seine Probenpräparation für die metallographische Untersuchung nahm Henry Clifton Sorby noch per Hand vor, ohne Zuhilfenahme rotierender Schleifscheiben. Da dieser Zeit nur diese überaus zeitaufwendige Präparationsmethode bekannt war, dauerte bei ihm die Präparation beispielsweise einer Stahlprobe bis zu fünf Wochen [22]. Alles dies für die Freilegung, Sichtbarmachung und Dokumentation des „wahren Gefüges“ meisterte der Autodidakt H. C. Sorby erstmalig und erfolgreich. Dadurch gilt er auch als der Initant der Technikwissenschaft „Metallographie“, die heutzutage nicht nur die Fachleute kennen.

Henry Clifton Sorby, der Erschaffer dieser technikwissenschaftlichen Disziplin, wurde am 10. Mai 1826, als einziges Kind einer zur wohlhabenden Mittelschicht gehörenden Sheffield-Familie, in Woodbourne (South Yorkhire), nahe Englands Stahlhauptstadt, geboren. Also in der Stadt des Roheisens, Stahls, der Werkzeuge und Bestecke, wo sein Vater ein führender Messer- und Werkzeughersteller wie auch Firmeninhaber war, der die Familientradition Cutler aus dem 16. Jahrhundert in höchster Qualität fortsetzte.

Für Sorby, der auch stiller Teilhaber der Messerschmiedefabrik J. & H. Sorby war, und privat erzogen wurde, stand bereits mit 15 Jahren fest, Wissenschaftler zu werden. Eine Wurzel seines Weges findet sich auch darin, daß er in dem Haus eines Werkstoffkenners aufgewachsen ist. Sein Drang zur Wissenschaft äußerte sich bereits mit dem von ihm 1833 verfassten „Readings in Science“ (Lesungen in der Wissenschaft) wie auch mit dem Gewinn eines Mathematikwettbewerbs des genannten Jahres. Nach der Sheffield Collegiate School erhielt er zu Hause private Bildung.

Als 1847 sein Vater starb, führte der 21-jährige Sorby das altüberlieferte Unternehmen nicht fort, sondern verkaufte es, wurde infolgedessen wohlhabend, was ihm erlaubte, ein wissenschaftliches Labor mit einer Werkstatt in seinem Haus in Broomfield, Beech Hill Road, einzurichten. Da Sorby finanziell unabhängig war, konnte er ungehindert wissenschaftliche Untersuchungen mit weit reichenden Interessen, die die Geologie, Archäologie, Optik und Meeresbiologie einschloss, ausführen. Sein früh dafür entwickeltes Interesse führte ihn somit zu einem seiner ersten Papiere, die sich auf die Aushöhlung der Täler in Yorkshire bezog.

Zu dieser Zeit betrafen Sorbys Forschungsarbeiten die Agrikultur, resultierend daraus veröffentlichte er 1847 einen Aufsatz über die Schwefel- und Phosphorverwendung in Düngemitteln. Weiterhin beschäftigte er sich mit den geologischen Zeiträumen seiner Gegend, speziell mit der Wavestructure in geschichteten Felsen und dem Ursprung der schiefrigen Spaltung. Und neben dem Ursprung der Täler von Yorkshire, interessierte er sich für die Paläontographie, Erosion, Ablagerung sowie Bildung der Flussterrassen. In der Überzeugung, dass das Mikroskop ein Werkzeug in allen Wissenschaften sein kann, setzte Sorby es 1849 bei der Untersuchung dünner Gesteinsscheiben von 0,025 oder 0,001 Millimeter Dicke ein. Er wies damit die mechanische Entstehung der Schieferung nach; er brachte Licht in das Dunkel der Slaty-Spaltung. Seine Mikroskopie an dünnem Felsen-Rock brachte ihm den Titel „Vater der mikroskopischen Petrographie“ ein; ferner gilt Sorby auch als „Begründer der Mikrospektroskopie“ und „Sedimentologie“.

Er war es, der immer wieder auf die Wichtigkeit der Mikroskopie an Kristallen, Gesteinen, Metallen und Meteoriten hinwies. Sorby veröffentlichte seine darauf bezüglichen Arbeiten 1858 im Quarterly Journal of the Geological Society of London unter dem Titel „Die mikroskopische Struktur der Kristalle, den Ursprung der Minerale und Felsen charakterisierend“ mit 120 Handzeichnungen seines Lithographers von mikroskopischen Betrachtungen in sechzigfacher bis einhundertzwanzigfacher (60- bis 1.600-facher [15]) linearer Vergrößerung. Und er dokumentierte darin sein Hauptvermächtnis zur mikroskopischen Petrographie mit normalem und polarisiertem Licht nebstdem mittels Naturselbstdruck. Und weitere Studien galten der Architektur sowie den ägyptische Hieroglyphen.

Obwohl er zu dieser Zeit für das Studieren der Gesteine mittels Mikroskop belächelt wurde, verteidigte er dies stets, beharrlich mit dem Standpunkt, dass Details wichtig seien, unabhängig von ihrer Größe. Zudem hatte Sorby auch ein besonderes Geschick für die Präparation wirbelloser Tiere, beispielsweise für Laternenfolie.

Ferner führte Sorby mit einem 1865 selbst neu geschaffenen Spektrummikroskop Untersuchungen zur Analyse gefärbter Flüssigkeiten durch; und schuf damit eine Methode zur Erkennung von Blutspuren, selbst wenn diese für das bloße Auge unsichtbar sind, was spürbare Konsequenzen für die Auswertung organischer Pigmente sowie die forensische Wissenschaft hatte. Er wies damit u. a. auch das Spektrum von Carotin, einen gelbroten Farbstoff in Pflanzenzellen, nach.

Die zuerst von ihm angewandte Spektralanalyse für mikroskopische Untersuchungen war bedeutend für alle Zweige der Wissenschaft in der Farbe eine Rolle spielt, beispielsweise der Struktur der Eisen- und Stahl- wie auch Tier- und Gemüsefarbtöne sowie anderer Sachen. Weiter glaubte Sorby, daß er mit dieser Methode ein neues Element im Jargonstein festgestellt habe, dem er den vorläufigen Namen Jargonium gab, was aber dem Uran entsprach.

Und als Sorby seine mikroskopische Forschungen über Meteore auch zu Studien auf Eisen und Stahl orientierte, fand er, daß insbesondere der Stahl eine Struktur hat, dem Gestein ähnelt; und erkannte kristalline Elemente von einer bisher weit weniger bekannten konstanten Struktur. Und seine Forschungen führten ihn zur Schlussfolgerung, Stahl sei ein kristalliner feuriger Rock. Festgehalten durch Sorby wurden seine auf den präparierten Eisen- und Stahl-Probanden zu sehenden Gefügeoffenbarungen auch mithilfe der Mikrophotographie.

Damit leistete er im Jahr mit dem Mikroskop erneut eine Vorreiterrolle für ein ganz neues Feld der Materialforschung, die Metallographie. Sorby war es, der auf der Grundlage metallographischer Untersuchungen von Eisen, Stahl und Gusseisen die Gefügebestandteile Ferrit, Perlit, Graphit charakterisierte.

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