Prüfverfahren für große Materialien entwickelt


Auf der Suche nach wirtschaftlichen und Energie effizienten Werkstoffen, Designs und Verfahren entwickeln Wissenschaft und Technik immer bessere Materialien und Hochleistungskomponenten. Auch die Leistungspotenziale bereits im Einsatz befindlicher Materialien werden weiter ausgereizt. Die direkte, zerstörungsfreie Untersuchung der bei Herstellung und Weiterverarbeitung entstehenden inneren Strukturen ist dabei von entscheidender Bedeutung. "Viele Methoden der Materialforschung schauen nur auf die Oberfläche“, sagt Winfried Petry, wissenschaftlicher Direktor der Neutronenquelle FRM II der TU München. "Mit der Neutronenstreuung haben wir ein Instrument, auch tief ins Innere von Materialien zu schauen. Die daraus erwachsenden Erkenntnisse sind von enormer wirtschaftlicher Bedeutung."

Ausgangspunkt der Untersuchung von Verdichtern der Auftrag eines Turbinenherstellers. Dieser hatte die mathematische Modellierung des Herstellungsprozesses für große Verdichterräder in Auftrag gegeben. Diese werden aus einem fast 300 kg schweren Metallrohling heraus gefräst. Bei ihrer Simulation fiel den Theoretikern auf, dass der Herstellungsprozess im Inneren des Blocks erhebliche mechanische Spannungen verursachen müsste. Solche inneren Spannungen können zu Materialermüdung und Rissbildung führen, dem vorzeitigen Ende des Bauteils. Die Ingenieure glaubten nicht an die Existenz solcher Spannungen.

Nie zuvor war ein so großes Bauteil vermessen worden. Michael Hofmann, Physiker der TU München konnte mit seinem Team den Streit schnell beenden: Eindeutig zeigten die Messungen, dass im Inneren des Bauteils erhebliche mechanische Spannungen vorhanden waren. Nun sind die Ingenieure dabei, den Herstellungsprozess so verändern, dass keine oder nur minimale Spannungen entstehen.

Die Neutronenstrahl-Experimente der Physiker haben aber noch einen viel weiter reichenden Effekt: Mit ihren Messungen bestätigen sie die Modelle der Materialwissenschaftler. Diese können ihre Methoden mit den Messdaten nun weiter verfeinern und auf andere Werkstücke und Materialien übertragen.

Nur mit diesen Neutronen können die Wissenschaftler die Spannungen tief im Inneren massiver Bauteile aufspüren: Da sie nicht elektrisch geladen sind, fliegen die Winzlinge durch viele Materialien so ungehindert hindurch, wie Lichtteilchen durch Glas. Nur ab und zu stößt ein Neutron mit einem Atomkern des Materials zusammen, verliert etwas Energie und wird aus der Bahn geworfen. Die Richtungsänderung und der Energieverlust sagen viel über den Unfallgegner und die nähere Umgebung des Unfallortes aus. Spannungen verraten sich dadurch, dass die Atome um einen kleinen Betrag aus ihrer Idealposition heraus gezogen sind.

COMPAMED.de; Quelle: Technische Universität München