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Anwendung von nukleare Sonden und Ionenstrahlen in den Materialwissenschaften

Konsequenter Leichtbau mit schweißbaren Leichtmetalllegierungen wird im modernen Automobil- und Flugzeugbau in großem Maßstab eingesetzt. Das Ziel ist eine Senkung des Brennstoffverbrauches und damit eine Verringerung nicht nur der Betriebskosten, sondern auch der umweltschädlichen Emissionen. Die Realisierung dieser Ziele bedingt den Einsatz neuer Werkstoffkonzepte, welche trotz deutlicher Gewichtsreduktion eine gleichbleibende dynamische Belastbarkeit der Bauteile garantieren müssen.

Deswegen müssen diese modernen Werkstoffe, bevor sie für Konstruktionen eingesetzt, ausführlich geprüft und möglichst gut unter Belastung verstanden werden. Zerstörende Untersuchungen zur Materialermüdung bzw. zur Dauerfestigkeit von Eisenbahnachsen wurden erstmals von August Wöhler 1848 durchgeführt, sind jedoch bis heute recht zeitaufwendig geblieben. Sofern die Dauerfestigkeit eines Werkstoffes in seinem geplanten Einsatzzustand bekannt ist, kann heute mittels Finite-Elemente-Modell-Rechnungen (FEM) die Lebensdauer komplexer Bauteile vor der Produktion abgeschätzt werden.

Da Bauteilversagen üblicherweise durch die Bildung von Haarrissen initiiert wird, stellt das Verständnis von Rissbildung und Risswachstum eine wichtige Vorraussetzung für die Lebensdauervorhersage von Werkstücken dar. Der Rissbildung in Metallen und Kunststoffen geht, bedingt durch die Beanspruchung, eine plastische Verformung voraus, die mit der Erzeugung von Versetzungen und atomaren Fehlern im Kristallgitter einhergeht. Überschreitet die Konzentration derartiger Defekte eine kritische Schwelle, so führt dies zum Versagen (Bruch) des Werkstücks.

Als eine etablierte Methode zur Untersuchung verschiedenster Werkstoffgruppen ermöglicht die Positronenspektroskopie in Werkstoffen den hochsensitiven, zerstörungsfreien Nachweis von Defekten im ppm-Bereich. Das Antiteilchen des Elektrons, das Positron, wird dabei als Sondenteilchen in den Werkstoff implantiert. Es diffundiert durch das Kristallgitter und wird von Leerstellen oder Fehlstellen eingefangen, bis es mit einem Elektron des Materials zu Gammastrahlung zerfällt. Die elektronische Umgebung des Positrons am Ort der Zerstrahlung beeinflusst folgende experimentell zugängliche Größen:
  • Zeitdauer bis zur Zerstrahlung
  • Energie der emittierten Gammaquanten
  • deren relative Winkelverteilung
Aus diesen Parametern kann sowohl die Fehlstellenkonzentration als auch die Fehlstellenart in der atomaren Struktur bestimmt werden. Die Positronenspektroskopie ermöglicht als zerstörungsfreies Prüfverfahren schnelle und zuverlässige Vorhersagen über Fehler und Schadensmechanismen. So können Entwicklungszeiten deutlich verkürzt und der Einsatz neuer Werkstoffe in manchen Fällen überhaupt erst ermöglicht werden.

Seit 1997 besteht die Möglichkeit ortsaufgelöster Positronenspektroskopieuntersuchungen mit der Bonner Positronenmikrosonde. Hierbei wird in einem modifizierten Rasterelektronenmikroskop (REM) das zu untersuchende Werkstück mit einem fein fokussierten Positronenstrahl abgetastet. Ganze Wöhlerfelder lassen sich so an einer einzigen Probe mit wenigen Lastwechseln bestimmen.

Quelle: Erforschung kondensierter Materie mit nuklearen Sonden und Ionenstrahlen an Großforschungsanlagen in Deutschland - Status und Perspektiven

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