Neutronenforschung hilft bei der Entwicklung von zerstörungsfreien Prüfverfahren
(a) Neutronen-Eigenspannungsmessung an einer Schweißprobe aus handelsüblichen Stahl, (b) Magnetfeldmessung, (c) Schweißnahtquerschliff. © BAM
Materialermüdung zeigt sich häufig zuerst daran, dass im Innern des Materials Bereiche mit stark unterschiedlichen Eigenspannungen aneinandergrenzen. An der Neutronenquelle BER II am HZB hat ein Team der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) die Eigenspannungen von Schweißnähten aus ferromagnetischem Stahl analysiert. Die Ergebnisse helfen zerstörungsfreie elektromagnetische Prüfverfahren zu verbessern.
Neutronenmessungen sind nach wie vor das Verfahren der Wahl, um vorhandene Eigenspannungen tief im Inneren von Materialien sehr exakt zu ermitteln. Hohe Unterschiede in Eigenspannungen sind für ein Material gleichbedeutend mit großem „Stress“, unter denen es sogar reißen kann. Allerdings stehen Neutronen nicht einfach so zur Verfügung, sondern erfordern Großgeräte wie die Berliner Neutronenquelle am HZB.
Ein Team des Fachbereichs 8.4 von der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) arbeitet daran, feinste Materialveränderung in ferromagnetischen Materialien frühzeitig zu identifizieren. Nun sind sie auf diesem Weg einen großen Schritt weiter gekommen. Die Forscher untersuchten dafür zunächst die sehr schwachen Magnetfelder von Schweißnähten aus einem ferromagnetischen Stahl. Mit Hilfe von speziellen Magnetfeldsensoren (sogenannten GMR-Sensoren; engl.: giant magneto resistance, dt.: Riesenmagnetwiderstand) gelang dies mit einer deutlich höheren Empfindlichkeit als sie zum Vermessen des Erdmagnetfelds notwendig ist und mit einer Ortsauflösung im zehntel Mikrometerbereich.
Im Anschluss identifizierten die Forscher die unterschiedlichen Materialeigenheiten der Schweißnähte, die beim Schweißen durch Erhitzen und Abkühlen des Materials entstehen. Dabei stellten sie überraschende Zusammenhänge fest: bereits geringfügige Veränderungen im Werkstoff, erzeugten Variationen im Magnetfeld. Die größten und deutlichsten Magnetfeldänderungen zeigten sich dabei in Bereichen mit homogener Mikrostruktur der Proben.
Mit Hilfe der Neutronenanalysen am HZB konnten die Forscher unter Leitung von Prof. Giovanni Bruno ihre Vermutung belegen, dass offenbar genau in diesen Bereichen stark unterschiedliche Eigenspannungsniveaus aufeinandertreffen.
Gegenwärtig sind die Forscher von der BAM auf der Suche, unter welchen Umständen Eigenspannungsgradienten solch hohe magnetische Streufelder erzeugen. Es lohnt sich, die Umstände noch genauer zu untersuchen. Damit rückt die Vision näher, mit Hilfe von Magnetfeldsensoren relevante Materialveränderungen bereits frühzeitig zu erkennen, bevor ein Riss überhaupt entsteht – und zwar preiswert und zerstörungsfrei.
Publiziert im Journal of Nondestructive Evaluation, 2018, Band 37: Influence of the microstructure on magnetic stray fields of low-carbon steel welds; R. Stegemann, S. Cabeza, M. Pelkner, V. Lyamkin, A. Pittner, D. Werner, R. Wimpory, M. Boin, M. Kreutzbruck, G. Bruno.
- BESSY II: Einblick in ultraschnelle Spinprozesse mit FemtoslicingEinem internationalen Team ist es an BESSY II erstmals gelungen, einen besonders schnellen Prozess im Inneren eines magnetischen Schichtsystems, eines Spinventils, aufzuklären: An der Femtoslicing-Beamline von BESSY II konnten sie die ultraschnelle Entmagnetisierung durch spinpolarisierte Stromimpulse beobachten. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von spintronischen Bauelementen für die schnellere und energieeffizientere Verarbeitung und Speicherung von Information. An der Zusammenarbeit waren Teams der Universität Straßburg, des HZB, der Universität Uppsala sowie weiterer Universitäten beteiligt.
- Batterieforschung: Alterungsprozesse operando sichtbar gemachtLithium-Knopfzellen mit Elektroden aus Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden (NMC) sind sehr leistungsfähig. Doch mit der Zeit lässt die Kapazität leider nach. Nun konnte ein Team erstmals mit einem zerstörungsfreien Verfahren beobachten, wie sich die Elementzusammensetzung der einzelnen Schichten in einer Knopfzelle während der Ladezyklen verändert. An der Studie, die nun im Fachjournal Small erschienen ist, waren Teams der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der Universität Münster sowie Forschende der Forschungsgruppe SyncLab des HZB und des Applikationslabors BLiX der Technischen Universität Berlin beteiligt. Ein Teil der Messungen fand mit einem Instrument im BLiX-Labor statt, ein weiterer Teil an der Synchrotronquelle BESSY II.
- Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMILAn BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.