Wenn Metalle doch nur gähnen könnten…

Auch Werkstoffe können ermüden. Im Gegensatz zum Menschen, der dabei gern mal ein hörbares Gähnen von sich gibt, ist einem Bauteil eine Ermüdungsschädigung erst dann wirklich anzumerken, wenn es fast schon zu spät ist. Erst wenn ein Riss zu sehen ist, beispielsweise im Radreifen eines Zuges oder in der Tragfläche eines Flugzeugs, finden Techniker einen warnenden Hinweis darauf, dass das Bauteil der Belastung nicht mehr lange standhalten wird.

„Die wirklich wichtigen Vorgänge spielen sich allerdings in Tausenden von Belastungszyklen im Inneren des Materials ab, noch lange bevor auf der Oberfläche ein Riss zu erkennen ist“, erklärt Kristin Hockauf, Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik (IWW) der TU Chemnitz.

Für viele Werkstoffe ist dieses Ermüdungsverhalten bereits erforscht. Wenn aber neuartige Werkstoffe zum Einsatz kommen – insbesondere in Bauteilen, die für die Sicherheit wichtig sind – muss geklärt sein, dass dem Material nur das zugemutet wird, was es dauerhaft ertragen kann. Am IWW untersuchen die Wissenschaftler im Sonderforschungsbereich 692 „Hochfeste aluminiumbasierte Leichtbauwerkstoffe für Sicherheitsbauteile (HALS)“ im Rahmen des Teilprojektes „Festigkeit und Versagen“ das Ermüdungs- und Risswachstumsverhalten solcher neuartiger Aluminiumwerkstoffe. Dafür können sie nun auch eine servohydraulische Prüfmaschine der US-amerikanischen Firma MTS nutzen. Diese Anlage im Wert von 160.000 Euro wurde in der zweiten Antragsperiode des Sonderforschungsbereichs der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) angeschafft. „Nur eine solche Maschine kann die Belastungsabläufe über Tausende von Zyklen exakt steuern und die auftretenden Verformungen und Kräfte so genau messen, wie wir sie für die Analyse des Ermüdungsverhaltens brauchen“, so Hockauf.

Mit der Anlage führen die Wissenschaftler Versuche an selbstentwickelten ultrafeinkörnigen Aluminiumlegierungen durch. Dazu belasten sie das Material mit wenig Kraft, wiederholen die Belastung aber sehr oft – so lange, bis ein Riss entsteht. „Das kann nach 100, aber auch erst nach 10.000 Durchläufen passieren“, so Hockauf. Die beschädigten Proben werden dann unter dem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Dadurch können die Forscher feststellen, wie sich die Mikrostruktur des Materials verändert, bevor es letztlich zum sichtbaren Riss kommt. „Dafür ist eine hohe Regelgenauigkeit der Maschine erforderlich. Nur wenn ganz exakt gemessen wird, können die Versuche reproduziert werden“, sagt Hockauf.

„Durch die Versuche können wir nachvollziehen, welche Mechanismen an der Entwicklung eines Schadens beteiligt sind. Wenn wir diese kennen, können wir gezielt an der Verbesserung der Materialien arbeiten, um sie noch sicherer zu machen“, erläutert Dr. Thorsten Halle, Leiter des Teilprojekts im Sonderforschungsbereich. So sicher, dass sie nicht ermüden – dass also auch dann nichts zu hören wäre, wenn Metalle gähnen könnten.

Der Sonderforschungsbereich HALS im Internet: http://www.sfb692.tu-chemnitz.de

Weitere Informationen erteilt Kristin Hockauf, Professur für Oberflächentechnik und Funktionswerkstoffe, Telefon 0371 531-36812, E-Mail kristin.hockauf@mb.tu-chemnitz.de.