Akustische Emission - Indikator mikrostruktureller Umwandlungen bei Metallmatrixlegierungen
Professor Dr. Pavel Lukac (links) und Dr. Frantisek Chmelik diskutieren die Versuchsergebnisse.
Die Zählrate der akustischen Emission und die Verlängerung der Probe ( Mg-Saffil MMC) während eines Temperaturzyklus mit einer oberen Temperatur von 573 K.
Während des letzten Jahrzehnts sind viele magnesiumbasierte Metallmatrixkomposite, kurz auch MMCs genannt, entwickelt und hergestellt worden. Einige von ihnen werden als leichte Hochleistungswerkstoffe in näherer Zukunft in vielen technischen Anwendungen zu finden sein. Als Metallmatrixkomposite werden Metallegierungen bezeichnet, die, ähnlich der Bewehrung in einem Stahlbeton, z. B . mit kurzen Keramikfasern verstärkt werden. Dabei kommt es aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten von Matrix und Verstärkungsphasen zu internen Spannungen. Die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften dieser MMCs hängen insbesondere von den Grenzflächen zwischen Metallmatrix und Verstärkungsphasen ab.
Zu den Standardtests der MMCs gehören thermische und mechanische Belastungszyklen. Dabei reagiert der Werkstoff mit einem charakteristischen "Kriechen". Bislang ist wenig darüber bekannt, wie sich das mikrostrukturelle Gefüge des Werkstoffs während der Belastungen ändert. Die mikrostrukturelle Antwort der MMCs auf Temperaturwechsel wurde in erster Linie mit "post mortem"-Strategien, u.a. im Nachhinein unter dem Elektronenmikroskop, untersucht.
Verschiedenartige Vorgänge in den Kristallen sind an den Verformungsprozessen beteiligt: Versetzungen gröberer Kristalle erfolgen quasi "auf einen Schlag", kollektiv. Dieses "Grummeln" im Ultraschallbereich ist, charakteristischerweise bei 100 Kilohertz, "hörbar". In der ersten Anstiegsphase des Temperaturzyklus und verstärkt in der Abkühlphase sind Verformungsprozesse von einer akustischen Emission im Ultraschallbereich begleitet. Die Wissenschaftler fanden für dieses Phänomen eine Erklärung: Während in der Erwärmungsphase zunächst die Zugspannung der Matrix abnimmt, somit auch die interne Spannung zwischen der Matrix und der Verstärkungsphase, welche unter Druckspannung steht, abklingt, und erst ab einer bestimmten Temperatur eine erhöhte interne Spannung aufgrund der wachsenden Druckspannung der Metallegierung wieder auftritt, wirken in der Abkühlphase Matrixspannungen und Spannungen in der Verstärkungsphase entgegengesetzt zueinander.
Weitere Prozesse, welche bei höheren Temperaturen zu einer Verformung führen sind z.B. Versetzungsbewegungen einzelner Atome innerhalb der Kristalle, ein Abgleiten von Kristallschichten an Korngrenzen, sowie das Diffusionskriechen einzelner Metallatome. Diese Vorgänge sind nahezu "lautlos".
Untersucht wurden folgende Werkstoffe: Reines Magnesium, die Magnesiumlegierungen AZ91 (Mg-9%Al-1%Zn) und QE22 (Mg-2%Ag-2%Seltene Erden), jeweils verstärkt mit einer 20 vol.% Aluminiumoxidkurzfasern.
Der AZ91-Saffil- und der QE22-Saffil zeigten keine akustische Emission während der Erhitzung, um so stärker ein intensives "Krachen" während der Abkühlphase. Bei niedrigen oberen Zyklustemperaturen zeigen die Werkstoffe eine Restauslängung, bei hohen oberen Zyklustemperaturen eine Kontraktion.
Da erst bei mehr als 1000 Temperaturzyklen eine wirkliche Schädigung des Werkstoffes auftritt, kann die akustische Emission eindeutig den strukturellen Änderungen in der Matrix, verbunden mit einer plastischen Deformation, zugeordnet werden.
Professor Dr. Pavel Lukac, Preisträger der Alexander von Humboldt-Stiftung, ist in seinem weitgespannten Netzwerk wissenschaftlicher Kooperation u.a. mit Arbeitsgruppen in Frankreich, England, Finnland, Rußland , Deutschland und Österreich seit den sechziger Jahren auch mit der Göttinger und späteren Clausthaler Metallphysik und Werkstoffkunde verbunden. Dr. Frantisek Chmelik habilitiert sich zur Zeit an der Karls-Universität Prag und ist zu einem einjährigen, von der Alexander von Humboldt Stiftung finanzierten, Forschungsaufenthalt an der TU Clausthal zu Gast.
Das Vorhaben wurde mit finanzieller Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Tschechischen Akademie der Wissenschaften sowie der Alexander von Humboldt Stiftung durchgeführt.
Weitere Informationen:
Dr. Frantisek Chmelik
Institut für Werkstoffkunde und Werkstofftechnik der TU Clausthal
Agricolastraße 6
Tel ++49 (0) 5323 72 27 53
Fax: +49 (0) 5323 72 31 48
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