Die Kaiserslauterer Ingenieure Professor Tilmann Beck (links), Doktorand Shayan Deldar (vorne im Bild) und Dr. Marek Smaga haben das Prüfverfahren gemeinsam mit Mainzer Kollegen entwickelt.
TUK/Koziel
Stahl zählt zu den meistgenutzten Werkstoffen. Er findet in vielen Varianten Verwendung, etwa als rostfreier Edelstahl, hochfester Vergütungsstahl oder preisgünstiger Baustahl. Hohe Temperaturen oder Spannungen, denen der Stahl ausgesetzt ist, können zu mikrostrukturellen Änderungen, Risse oder Bauteilversagen führen. Experten sprechen in diesem Zusammenhang von Materialermüdung. Mittels magnetischer Prüfverfahren lassen sich solche Schäden schon im Mikrobereich entdecken. Dies war bisher jedoch nur für magnetische Stähle möglich. Ingenieure der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) und Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) arbeiten daran, das Verfahren auch für nichtmagnetische Stähle nutzbar zu machen. Das Besondere: Hierbei helfen ihnen magnetische Effekte, 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. 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 JGU. "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 sei das Verfahren auch für andere Werkstoffe wie Aluminium, Titan und bestimmte Verbundwerkstoffe interessant, die mit einer solchen Schicht versehen werden könnten. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift "Journal of Magnetism and Magnetic Materials" veröffentlicht.