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TU Kaiserslautern

Schäden in nichtmagnetischem Stahl mit Magnetismus aufspüren

Stahl ist mitunter hohen Temperaturen oder Spannungen ausgesetzt, wodurch mikrostrukturelle Änderungen, Risse oder Bauteilversagen – also Materialermüdungen – auftreten können. Umso wichtiger ist es, Schäden früh zu entdecken. Solche Schäden sind zunächst nur auf der Mikroebene sichtbar und wurden bisher oft durch magnetische Prüfverfahren nachgewiesen. Bei nichtmagnetischem Stahl ist dies jedoch nicht möglich.

Genau daran arbeiten Ingenieure der Technische Universität Kaiserslautern (TUK) und Physiker der Johannes Gutenberg- Universität Mainz (JGU) und stellen in ihrer aktuellen Studie eine Lösung vor. Das Besondere: Sie machen sich magnetische Effekte zunutze, obwohl es sich um nichtmagnetisches Material handelt. Bei magnetischem Stahl können durch magnetische Effekte früh Veränderungen in der Struktur aufgedeckt werden. Dabei verändern selbst winzige Verformungen die magnetischen Eigenschaften, was sich mit spezieller Sensortechnik messen lässt.

Die Forscher haben nun einen nichtmagnetischen Stahl mit unterschiedlichen, jeweils 20 nm 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. Um im Anschluss zu überprüfen, ob sich Dehnungen des Stahls im mikroskopischen Bereich nachweisen lassen, haben die Forscher ein sogenanntes Kerr- Mikroskop verwendet. Es nutzt den Kerr- Effekt, mit dem sich die magnetischen Mikrostrukturen (Domänen) über die Drehung der Polarisationsrichtung von Licht abbilden lassen.

Bei wenige Millimeter großen magnetisch beschichteten Stahlplättchen, die zuvor einer mechanischen Belastung ausgesetzt waren, kam es zu einer charakteristischen Veränderung der magnetischen Domänenstruktur. Die mikroskopischen Dehnungen im nichtmagnetischen Stahl führen zu Veränderungen der Magnetisierungsrichtung der dünnen Schicht.

Im Vergleich zu gängigen Prüfverfahren bietet die Methode den Vorteil, Ermüdungserscheinungen schon deutlich früher auf der Mikroebene aufzuspüren. Die neue Methode könnte künftig in neuen Prüftechniken Verwendung finden. Dabei ist sie nicht nur für nichtmagnetischen Stahl interessant, sondern auch andere Werkstoffe wie Aluminium, Titan und bestimmte Verbundwerkstoffe könnten mit einer solchen Schicht versehen werden.

Die Studie ist in der Fachzeitschrift Journal of Magnetism and Magnetic Materials erschienen (Jourdan, M.; Krämer, M. M. B.; Kläui, M.: Strain detection in nonmagnetic steel by Kerr-microscopy of magnetic tracer layers. DOI: doi. org/10.1016/j.jmmm.2018.05.081).

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