Materialwissenschaftler untersuchen altes Verfahren

Materialprüfung für ein paar Euro

Die ’Dauerfestigkeit’ eines Materials zu ermitteln, ist ein teures Unterfangen. Materialwissenschaftler der Universität des Saarlandes haben nun eine Methode publiziert, die diese Prüfung einfacher und günstiger macht.

Bild: © Thorsten Mohr

In der Werkstoffprüfung läuft das im Allgemeinen so: Eine Materialprobe, etwa eine neu entwickelte Stahl-Legierung, wird im Prüflabor zwei bis zehn Millionen Mal mit einer definierten Kraft be- und wieder entlastet. Das Ganze wird dann an mindestens 10 Proben oder mehr wiederholt. Am Ende erhalten die Werkstoffprüfer einen Wert, der die Grenze definiert, ab der ein Material unsicher wird. Vereinfacht ausgedrückt: Es wird klar, ob eine Brücke, die mit diesem Stahl errichtet wird, einen Lkw mit 15t nach Jahren auch noch sicher tragen kann, den 20-Tonner aber nicht mehr sicher.

Nur eine Messung

„Dieses Verfahren ist aber sehr teuer“, erläutert Dr. Florian Schäfer, Werkstoffwissenschaftler an der Universität des Saarlandes. Gemeinsam mit Masterstudent Jan Rosar hat er eine ältere Methode aufs Neue untersucht, die um ein vielfaches günstiger ist, als die klassische Materialprüfung – die ’quantitative Thermometrie’. Dabei wird die Temperaturveränderung gemessen, die ein Material während der Be- und Entlastung erfährt. Über diese Methode kann die Dauerfestigkeit eines Materials mit nur einer Messung abgeschätzt werden.

Die Methode wurde 1982 von Dr. Klaus Stärk an der Materiaprüfanstalt in Stuttgart erstmals erprobt, litt aber an der damals noch schlechteren Messtechnik. Die Methode stieß in der Wissenschaft auf keinen großen Widerhall. Ihr Entwickler hat wissenschaftlich kaum publiziert, sodass bisher so genannte Wöhlerverfahren seit 1871 der wissenschaftliche Goldstandard ist. „Wenn man bedenkt, dass unser Aufbau mit billigen Sensoren aus Rauchmeldern gerade einmal 114 Euro gekostet hat und mit der einfachen Messung einer einzigen Probe dasselbe Ergebnis erzielt, könnte sich das allerdings ändern“, erläutert Florian Schäfer.

Ebenso genau

Im Kern können die Forscher anhand der Temperaturentwicklung in der Stahlprobe ergründen, was auf atomarer Ebene im Material geschieht und so die Dauerfestigkeit ebenso genau bestimmen wie mit gängigeren Methoden zur Temperaturermittlung. „Dazu dienen heute in der Regel Infrarotkameras, die Temperaturunterschiede sichtbar machen können. Diese sind mit einer Auflösung von einem Millikelvin allerdings viel weniger leistungsfähig als wir mit unseren Billigsensoren.“ Mit diesen können sich Temperaturunterschiede von einem Tausendstel Millikelvin darstellen lassen, so Florian Schäfer.

„Wir haben eine 40 Jahre alte Messprobe in den Versuchsaufbau eingespannt und die Veränderung unter Ermüdungsbelastung gemessen“, erläutert Florian Schäfer das Vorgehen. „Abends hatten wir die perfekte Messkurve. Das konnten wir anfangs selbst nicht glauben“, gibt er zu. „Aber wir haben dann, im Gegensatz zu den alten Arbeiten, noch viele andere Werkstoffe durchgezogen und kamen immer zu dem gleichen Ergebnis: Die Genauigkeit der Werkstoffprüfung war überragend“, erläutert der Wissenschaftler.

Materialprüfung für ein paar Euro

Die ‚Dauerfestigkeit‘ eines Materials zu ermitteln, ist ein teures Unterfangen. Materialwissenschaftler der Universität des Saarlandes haben nun eine Methode publiziert, die diese Prüfung einfacher und günstiger macht. (mehr …)

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