Studie zu Werkstoffprüfung: Schäden in nichtmagnetischem Stahl mit Magnetismus aufspüren

Stahl zählt zu den meistgenutzten Werkstoffen. Er findet in vielen Varianten Verwendung, etwa als rostfreier Edelstahl, hochfester Vergütungsstahl oder preisgünstiger Baustahl. Stähle können magnetisch oder nichtmagnetisch sein. Sie kommen in Besteck, in Bauteilen von Fahrzeugen oder in Stahlträgern von Gebäuden und Brücken zum Einsatz. Mitunter ist Stahl hohen Temperaturen oder Spannungen ausgesetzt.

„Dabei können mikrostrukturelle Änderungen, Risse oder Bauteilversagen die Folge sein“, sagt Dr. Marek Smaga, der am Lehrgebiet für Werkstoffkunde bei Professor Dr. Tilmann Beck an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) forscht. Experten sprechen in diesem Zusammenhang von Materialermüdung. Solche Schäden sind zunächst nur auf der Mikroebene sichtbar. Mit magnetischen Prüfverfahren ist es bislang aber nicht möglich, bei nichtmagnetischem Stahl Veränderungen in diesem Bereich früh zu entdecken.

Genau daran arbeiten Ingenieure der TUK und Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und stellen in ihrer aktuellen Studie eine Lösung vor. Das Besondere: Sie machen sich magnetische Effekte zunutze, obwohl es sich um nichtmagnetisches Material handelt. „Bei magnetischem Stahl kann man auf diese Weise früh Veränderungen in der Struktur finden“, erläutert der Kaiserlauterer Doktorand Shayan Deldar. „Bereits winzige Verformungen verändern die magnetischen Eigenschaften. Dies lässt sich mit spezieller Sensortechnik messen.“

Die Forscher haben einen nichtmagnetischen Stahl mit unterschiedlichen, jeweils 20 Nanometer dünnen magnetischen Filmen beschichtet, die aus Terfenol-D, einer Legierung aus den chemischen Elementen Terbium, Eisen und Dysprosium, oder aus Permalloy, einer Nickel-Eisen-Verbindung, bestehen.

Um im Anschluss zu überprüfen, ob sich Dehnungen des Stahls im mikroskopischen Bereich nachweisen lassen, haben die Forscher ein sogenanntes Kerr-Mikroskop verwendet. „Hierbei findet der sogenannte Kerr-Effekt Verwendung“, erläutert Smaga das Verfahren, „mit dem sich die magnetischen Mikrostrukturen, die sogenannten Domänen, über die Drehung der Polarisationsrichtung von Licht abbilden lassen.“

Die Wissenschaftler haben wenige Millimeter große magnetisch beschichtete Stahl-Plättchen untersucht, die zuvor einer mechanischen Belastung ausgesetzt waren. „Wir haben beobachtet, dass es zu einer charakteristischen Veränderung der magnetischen Domänenstruktur kommt“, erklärt Privatdozent Dr. Martin Jourdan vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. „Die mikroskopischen Dehnungen im nichtmagnetischen Stahl führen dazu, dass sich die Magnetisierungsrichtung der dünnen Schicht verändert.“

Im Vergleich zu gängigen Prüfverfahren bietet die Methode den Vorteil, Ermüdungserscheinungen schon deutlich früher auf der Mikroebene aufzuspüren. Die Methode der Forscher könnte künftig in neuen Prüftechniken Verwendung finden. Darüber hinaus ist es nicht nur für nichtmagnetischen Stahl interessant, auch andere Werkstoffe wie Aluminium, Titan und bestimmte Verbundwerkstoffe könnten mit einer solchen Schicht versehen werden.

Die Arbeiten fanden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Spin+X – Spin in seiner kollektiven Umgebung“ statt, der an der TU Kaiserslautern und der JGU angesiedelt ist. Hier beschäftigen sich Forscherteams aus Chemie, Physik sowie Maschinenbau und Verfahrenstechnik interdisziplinär mit magnetischen Effekten, die in die Anwendung überführt werden sollen. Im Fokus steht dabei der Spin. In der Sprache der Physik beschreibt der Spin den quantenmechanischen Eigendrehimpuls eines Quantenteilchens, etwa eines Elektrons oder Protons. Er bildet die Grundlage für viele magnetische Phänomene.

Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift „Journal of Magnetism and Magnetic Materials“ veröffentlicht: „Strain detection in non-magnetic steel by Kerr-microscopy of magnetic tracer layers“. M. Jourdan, M.M.B. Krämer, M. Kläui, H.-J. Elmers, S. Deldar, M. Smaga, T. Beck.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.05.081

Fragen beantworten:
Dr.-Ing. Marek Smaga
Lehrstuhl für Werkstoffkunde / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2762
E-Mail: smaga[at]mv.uni-kl.de

PD Dr. Martin Jourdan
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Tel.: 06131 39-23635
E-Mail: Jourdan[at]uni-mainz.de

Dr.-Ing. Marek Smaga
Lehrstuhl für Werkstoffkunde / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2762
E-Mail: smaga[at]mv.uni-kl.de

PD Dr. Martin Jourdan
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Tel.: 06131 39-23635
E-Mail: Jourdan[at]uni-mainz.de

Strain detection in non-magnetic steel by Kerr-microscopy of magnetic tracer layers. M. Jourdan, M.M.B. Krämer, M. Kläui, H.-J. Elmers, S. Deldar, M. Smaga, T. Beck