Auf Biegen und Brechen

News: Auf Biegen und Brechen

Stahlteile, die auf Dauer große Lasten tragen, können ohne Vorwarnung ihren Dienst versagen. So führte 1998 Materialermüdung zur ICE-Katastrophe von Eschede. Jetzt haben Wissenschaftler Warnsignale gefunden, die ein Brechen rechtzeitig ankündigen.

Martin Wieser

Stahl verformt sich unter Druck und kehrt nach dem Ende der Belastung wieder in seine ursprüngliche Form zurück. So soll es zumindest sein, und mit diesem Prinzip, der elastischen Verformung, arbeiten zum Beispiel Blattfedern und Stoßdämpfer. Aber auch Bauteile wie Achsen, die eigentlich starr bleiben sollen, verbiegen sich unter starken oder dauerhaften Kräften.

Kritisch wird es, wenn die elastische Verformung in eine plastische, also bleibende, übergeht. Dabei verliert das Material seine Funktion und läuft Gefahr, auseinander zu brechen.

Dies beginnt mit Versetzungen im Material, die umso zahlreicher werden, je mehr die elastische Dehnung in eine plastische übergeht. Oft bleibt dieser Prozess den gängigen Untersuchungsmethoden verborgen.

Daher gingen Hirotsugu Ogi und seine Mitarbeiter an der Graduate School of Engineering Science der Osaka University das Problem mit einer kontaktfreien Methode an. Sie schickten Schallwellen durch einen Stahlstab und regten ihn so zu Schwingungen an. Um ihn herum platzierten sie eine von Wechselstrom durchflossene Spule, die am Stab ein oszillierendes Magnetfeld erzeugte.

Die Schwingung des Eisenstabs und die Oszillation des Magnetfelds waren zu Beginn des Experiments in Resonanz. Sollten die Schwingungseigenschaften des Metalls aufgrund innerer Strukturänderungen variieren, so würde sich die Resonanz abschwächen. Ein entsprechendes elektrisches Signal der Spule wäre dann die Folge.

Die Forscher bogen nun den Stahl, während sie das Material weiter beschallten. Der Metallstab schluckte einen Teil der Wellen - ein Effekt, der zunächst nicht besonders deutlich war.

Plötzlich beobachteten die Wissenschaftler einen starken Abfall im Signal. Die Schallabsorption musste also schlagartig zugenommen haben. Daraufhin schauten sie mit einem Rastertunnel-Mikroskop auf die Metalloberfläche und fanden zahlreiche Versetzungen, welche den Sprung in der Absorption offenbar ausgelöst hatten.

Nun wollten die Forscher wissen, wie lange das Material mit diesen Ermüdungserscheinungen noch durchhält. Also bogen sie den Stab weiter und bestimmten die Zeitspanne bis zum Durchbruch: die Restlebensdauer. Anschließend wiederholten sie das Experiment mit Stählen anderen Kohlenstoffgehalts und unter verschiedenen Drücken. Dabei maßen sie wiederum die Zeit zwischen Signalabfall und Bruch.

Das Ergebnis erstaunt: Trotz der unterschiedlichen Materialien und Belastungen blieb die Restlebensdauer praktisch konstant. Vom Zeitpunkt des Signalabfalls kann also auf die verbleibende Restzeit geschlossen werden.

Mit ihrem kontaktfreien Meßverfahren haben die Forscher eine universelle Methode gefunden, bevorstehende Ermüdungsbrüche von Stählen vorherzusagen. So eignet sie sich beispielsweise dazu, den Zustand von Zug- und Motorachsen zu überwachen. Solange die Wartungsabstände deutlich kleiner sind als die Restlebensdauer, sollte sich auf diese Weise Stahlbruch vermeiden lassen.