Neutronenforschung hilft bei der Entwicklung von zerstörungsfreien Prüfverfahren
(a) Neutronen-Eigenspannungsmessung an einer Schweißprobe aus handelsüblichen Stahl, (b) Magnetfeldmessung, (c) Schweißnahtquerschliff. © BAM
Materialermüdung zeigt sich häufig zuerst daran, dass im Innern des Materials Bereiche mit stark unterschiedlichen Eigenspannungen aneinandergrenzen. An der Neutronenquelle BER II am HZB hat ein Team der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) die Eigenspannungen von Schweißnähten aus ferromagnetischem Stahl analysiert. Die Ergebnisse helfen zerstörungsfreie elektromagnetische Prüfverfahren zu verbessern.
Neutronenmessungen sind nach wie vor das Verfahren der Wahl, um vorhandene Eigenspannungen tief im Inneren von Materialien sehr exakt zu ermitteln. Hohe Unterschiede in Eigenspannungen sind für ein Material gleichbedeutend mit großem „Stress“, unter denen es sogar reißen kann. Allerdings stehen Neutronen nicht einfach so zur Verfügung, sondern erfordern Großgeräte wie die Berliner Neutronenquelle am HZB.
Ein Team des Fachbereichs 8.4 von der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) arbeitet daran, feinste Materialveränderung in ferromagnetischen Materialien frühzeitig zu identifizieren. Nun sind sie auf diesem Weg einen großen Schritt weiter gekommen. Die Forscher untersuchten dafür zunächst die sehr schwachen Magnetfelder von Schweißnähten aus einem ferromagnetischen Stahl. Mit Hilfe von speziellen Magnetfeldsensoren (sogenannten GMR-Sensoren; engl.: giant magneto resistance, dt.: Riesenmagnetwiderstand) gelang dies mit einer deutlich höheren Empfindlichkeit als sie zum Vermessen des Erdmagnetfelds notwendig ist und mit einer Ortsauflösung im zehntel Mikrometerbereich.
Im Anschluss identifizierten die Forscher die unterschiedlichen Materialeigenheiten der Schweißnähte, die beim Schweißen durch Erhitzen und Abkühlen des Materials entstehen. Dabei stellten sie überraschende Zusammenhänge fest: bereits geringfügige Veränderungen im Werkstoff, erzeugten Variationen im Magnetfeld. Die größten und deutlichsten Magnetfeldänderungen zeigten sich dabei in Bereichen mit homogener Mikrostruktur der Proben.
Mit Hilfe der Neutronenanalysen am HZB konnten die Forscher unter Leitung von Prof. Giovanni Bruno ihre Vermutung belegen, dass offenbar genau in diesen Bereichen stark unterschiedliche Eigenspannungsniveaus aufeinandertreffen.
Gegenwärtig sind die Forscher von der BAM auf der Suche, unter welchen Umständen Eigenspannungsgradienten solch hohe magnetische Streufelder erzeugen. Es lohnt sich, die Umstände noch genauer zu untersuchen. Damit rückt die Vision näher, mit Hilfe von Magnetfeldsensoren relevante Materialveränderungen bereits frühzeitig zu erkennen, bevor ein Riss überhaupt entsteht – und zwar preiswert und zerstörungsfrei.
Publiziert im Journal of Nondestructive Evaluation, 2018, Band 37: Influence of the microstructure on magnetic stray fields of low-carbon steel welds; R. Stegemann, S. Cabeza, M. Pelkner, V. Lyamkin, A. Pittner, D. Werner, R. Wimpory, M. Boin, M. Kreutzbruck, G. Bruno.
- Faszinierendes Fundstück wird zu wertvoller WissensquelleDas Bayerische Landesamt für Denkmalpflege (BLfD) hat ein besonderes Fundstück aus der mittleren Bronzezeit nach Berlin geschickt, um es mit modernsten Methoden zerstörungsfrei zu untersuchen: Es handelt sich um ein mehr als 3400 Jahre altes Bronzeschwert, das 2023 im schwäbischen Nördlingen bei archäologischen Grabungen zutage trat. Die Expertinnen und Experten konnten herausfinden, wie Griff und Klinge miteinander verbunden sind und wie die seltenen und gut erhaltenen Verzierungen am Knauf angefertigt wurden – und sich so den Handwerkstechniken im Süddeutschland der Bronzezeit annähern. Zum Einsatz kamen eine 3D-Computertomographie und Röntgendiffraktion zur Eigenspannungsanalyse am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sowie die Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie bei einem von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) betreuten Strahlrohr an BESSY II.
- Topologische Überraschungen beim Element KobaltDas Element Kobalt gilt als typischer Ferromagnet ohne weitere Geheimnisse. Ein internationales Team unter der Leitung von Dr. Jaime Sánchez-Barriga (HZB) hat nun jedoch komplexe topologische Merkmale in der elektronischen Struktur von Kobalt entdeckt. Spin-aufgelöste Messungen der Bandstruktur (Spin-ARPES) an BESSY II zeigten verschränkte Energiebänder, die sich selbst bei Raumtemperatur entlang ausgedehnter Pfade in bestimmten kristallographischen Richtungen kreuzen. Dadurch kann Kobalt als hochgradig abstimmbare und unerwartet reichhaltige topologische Plattform verstanden werden. Dies eröffnet Perspektiven, um magnetische topologische Zustände in Kobalt für künftige Informationstechnologien zu nutzen.
- MXene als Energiespeicher: Vielseitiger als gedachtMXene-Materialien könnten sich für eine neue Technologie eignen, um elektrische Ladungen zu speichern. Die Ladungsspeicherung war jedoch bislang in MXenen nicht vollständig verstanden. Ein Team am HZB hat erstmals einzelne MXene-Flocken untersucht, um diese Prozesse im Detail aufzuklären. Mit dem in situ-Röntgenmikroskop „MYSTIIC” an BESSY II gelang es ihnen, die chemischen Zustände von Titanatomen auf den Oberflächen der MXene-Flocken zu kartieren. Die Ergebnisse zeigen, dass es zwei unterschiedliche Redox-Reaktionen gibt, die vom jeweils verwendeten Elektrolyten abhängen. Die Studie schafft eine Grundlage für die Optimierung von MXene-Materialien als pseudokapazitive Energiespeicher.