07.04.2014

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Quelle: BAM

Der Werkstoff Stahl ist das verbindende Element am diesjährigen Stand der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung auf der Hannover Messe (vom 7. bis 11. April 2014).
Stahl ist ein Material, das bereits intensiv erforscht ist, für dessen sichere Verwendung aber die Verfahren ständig weiterentwickelt werden. Die BAM zeigt mit zwei Exponaten, wie Risse im Stahl schnell, einfach und preisgünstig entdeckt und überwacht werden können und inwieweit Stahl durch hochdynamische Belastungen verformt wird.

Risse im Stahl einer ermüdungsbeanspruchten Konstruktion oder eines Bauwerkes, wie beispielsweise einem Kran, einem Baufahrzeug oder einer Brücke, müssen früh erkannt werden, denn sie begrenzen deren Lebensdauer. Wie wichtig ein frühzeitiges Erkennen eines Risses ist, weiß der Wissenschaftler Dr.-Ing. Milad Mehdianpour vom Fachbereich Ingenieurbau zu berichten, der das Verfahren in der BAM entwickelte: „Während ein Riss am Anfang ganz klein ist und nur wenig wächst, zum Beispiel einen Millimeter im Jahr, kann es zum Lebensdauerende solch einer ermüdungsbeanspruchten Konstruktion hin mehr als ein Millimeter pro Monat sein.“

Mit dem neuen, patentierten Verfahren der BAM, der Risslumineszenz, können Ermüdungsrisse unter laufendem Betrieb durch UV-Licht ohne weiteres Zutun zum Leuchten gebracht werden. Das ist so wie in der Disco, wenn das Schwarzlicht jeden Fussel erkennbar macht. Durch den Kontrast werden Details sichtbar, die einem im Tageslicht verborgen bleiben. Der Trick: Mögliche Schwachstellen, an denen Risse auftreten können, wie zum Beispiel Schweißnähte, werden mit einer dünnen fluoreszierenden Beschichtung eingestrichen und mit einer dünnen Abdeckschicht versehen. Bei intakter Abdeckschicht ist keine Fluoreszenz sichtbar. Beim Reißen des Untergrunds werden beide Beschichtungen mit aufgerissen und die Rissufer der Fluoreszenzschicht liegen frei. In Dunkelheit oder wenn man die Stelle abdunkelt, leuchtet unter Schwarzlichtbestrahlung dann der Riss, der auch aus größerer Entfernung gut sichtbar ist.

Erprobt wurde das Verfahren an Stahl. Laut Mehdianpour ist es aber auch auf andere Metalle wie beispielsweise Aluminium übertragbar. Dies ist besonders interessant, da Aluminium nicht magnetisierbar ist und das Magnetpulververfahren als eines der gängigsten Rissdetektionsverfahren dafür ungeeignet ist. Derzeit läuft die Erprobung in der Laborpraxis. Es experimentieren mit der neuen Methode zusätzlich das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Universität Stuttgart und die Leibniz Universität Hannover. An der Apparatur in der BAM ist auch eine Kamera im Einsatz, denn: Bei lang dauernden Ermüdungsversuchen läuft die Prüfmaschine ununterbrochen und der Anriss kann in der Nacht oder am Wochenende auftreten.

Die Erprobung an realen Konstruktionen ist nun der nächste Schritt für die BAM-Wissenschaftler. Das neue Verfahren soll zukünftig eine gute und effiziente Ergänzung gängiger Methoden werden.
Das zweite Stahlthema auf dem BAM-Stand ist der Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB). Mit dieser Prüfeinrichtung kann das Verformungsverhalten einer Probe aus Stahl, aus Keramik oder Verbundwerkstoff durch hochdynamische Belastung untersucht werden. Interessant ist dieses Prüfverfahren für Unternehmen, deren Materialien hochdynamischen Belastungen ausgesetzt sind, wie beispielswiese im Automobilbau oder in der Luft- und Raumfahrt.

Viele Werkstoffe zeigen eine Abhängigkeit ihrer mechanischen Eigenschaften von der Beanspruchungsgeschwindigkeit. Diese Eigenschaften entstehen aus der jeweiligen Mikrostruktur des Werkstoffs und hängen von der chemischen Zusammensetzung aber auch vom gesamten Prozess der Herstellung und Verarbeitung ab.

„Wir müssen das Verhalten des Werkstoffs nach hochdynamischer Belastung kennen, damit wir die Crash-Sicherheit beispielsweis beim Chassis in einem Auto bewerten können“, so Dipl.-Ing. Tabea Wilk, Wissenschaftlerin im Fachbereich Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren an der BAM. „Insbesondere die Energieaufnahme des Werkstoffs nach einem Aufprall ist sicherheitstechnisch von Relevanz“, so Wilk weiter.

Die zeit- und kostenintensiven Crash-Versuche werden heutzutage zunehmend durch nummerische Methoden ersetzt. Die Simulation erfordert Kennwerte für die eingesetzten Werkstoffe und Werkstoffzustände für alle Bereiche, von der elastischen Verformung bis zum Versagen. Mit der Prüfeinrichtung in der BAM können Kennwerte mit Dehnraten bis maximal 10.000 s-1 ermittelt werden.
Da es für das Verfahren keine Norm gibt, überprüfen die Experten der BAM und des NIST, dem National Institute of Standards und Technoloy in USA, in einem gemeinsamen Forschungsprojekt dessen Gültigkeit.

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