3D-Bilder zeigen feine Risse in Metallen

US-Forscher haben einen Weg gefunden, extrem feine Risse in Metalllegierungen dreidimensional darzustellen. [...]

Die Risse entstehen durch sogenannte Versprödung. Bei Kontakt mit Wasser oder Wasserstoff vergrößern sie sich oft. Das kann zu schweren Schäden führen, etwa zum Einsturz von Brücken. Die berühmtesten Haarrisse sind im Außenbereich der Reaktordruckbehälter der Kernkraftwerke Tihange 2 und Doel 3 in Belgien, die laut den Betreibern die Sicherheit allerdings nicht beeinträchtigen.

Wasserstoffversprödung sichtbar

An der Studie waren in erster Linie Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Institute, des Massachusetts Institute of Technology, des Argonne National Laboratory (ANL) und der Texas A&M University beteiligt. Die Metalle, die die Experten untersucht haben, waren durch Wasserstoff rissig geworden – durch eine sogenannte Wasserstoffversprödung.

Die Forscher setzten Röntgenstrahlen ein, die im Synchrotron des ANL erzeugt wurden. Das ist ein ringförmiger Beschleuniger, in dem Elektronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit rotieren. Wenn sie ihre Richtung ändern, also immer, entstehen sehr helle Röntgenstrahlen, die an Experimentierboxen ausgelenkt werden. Darin finden die Messungen statt. Die Strahlen werden an Unregelmäßigkeiten in der Metallprobe gestreut und reflektiert. Die von der Probe ausgehenden Strahlen nehmen Kameras auf. Aus unzähligen Bildern, die auf diese Art entstehen, errechnen die Forscher das 3D-Bild der Probe. Darin ist die Lage der Risse und der Korngrenzen im Detail zu sehen. Anhand der Verteilung und Größe der Unregelmäßigkeiten lässt sich abschätzen, wie groß die Gefahr ist, dass Bauteile aus diesem Material bei Belastung bersten.

Korngrenzen hemmen Rissbildung

Das Wissen, das die Forscher erworben haben, könnte den Weg ebnen zu einer genaueren Vorhersage der Haltbarkeit von metallischen Bauteilen. Außerdem bietet das Verfahren die Möglichkeit, Metalllegierungen so zu gestalten, dass Korngrenzen, also scharf umgrenzte winzige Regionen innerhalb der Metalle, so gestaltet werden, dass sie eine eventuelle Vergrößerung von Rissen verhindern – über die Korngrenzen hinweg kommen sie nicht. Dadurch könnte die Lebensdauer, etwa von Brücken, entscheidend erhöht werden.