Studie zu Werkstoffprüfung: Schäden in nichtmagnetischem Stahl mit Magnetismus aufspüren

Physik-News vom 23.07.2018


Verschleiß, Korrosion, Materialermüdung – diese Abnutzungserscheinungen sind den meisten Werkstoffen gemein. Umso wichtiger ist es, Schäden früh zu entdecken, am besten schon im Mikrobereich. Dazu werden oft magnetische Prüfverfahren verwendet. Bei nichtmagnetischem Stahl war das bislang unmöglich. Forscher aus Kaiserslautern und Mainz haben nun ein Verfahren entwickelt, bei dem sie eine dünne magnetische Schicht auf Stahl aufbringen. Änderungen in der Mikrostruktur lassen sich so durch Veränderungen magnetischer Effekte aufspüren. Auch Werkstoffe wie Aluminium können so überprüft werden. Die Studie ist in der Fachzeitschrift "Journal of Magnetism and Magnetic Materials" erschienen.

Stahl zählt zu den meistgenutzten Werkstoffen. Er findet in vielen Varianten Verwendung, etwa als rostfreier Edelstahl, hochfester Vergütungsstahl oder preisgünstiger Baustahl. Stähle können magnetisch oder nichtmagnetisch sein. Sie kommen in Besteck, in Bauteilen von Fahrzeugen oder in Stahlträgern von Gebäuden und Brücken zum Einsatz. Mitunter ist Stahl hohen Temperaturen oder Spannungen ausgesetzt. „Dabei können mikrostrukturelle Änderungen, Risse oder Bauteilversagen die Folge sein“, sagt Dr. Marek Smaga, der am Lehrgebiet für Werkstoffkunde bei Professor Dr. Tilmann Beck an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) forscht. Experten sprechen in diesem Zusammenhang von Materialermüdung. Solche Schäden sind zunächst nur auf der Mikroebene sichtbar. Mit magnetischen Prüfverfahren ist es bislang aber nicht möglich, bei nichtmagnetischem Stahl Veränderungen in diesem Bereich früh zu entdecken.


Die Kaiserslauterer Ingenieure Professor Tilmann Beck (li.), Doktorand Shayan Deldar (vorne im Bild) und Dr. Marek Smaga haben das Verfahren gemeinsam mit Mainzer Kollegen entwickelt.

Publikation:


M. Jourdan, M.M.B. Krämer, M. Kläui, H.-J. Elmers, S. Deldar, M. Smaga, T. Beck
Strain detection in non-magnetic steel by Kerr-microscopy of magnetic tracer layers
Journal of Magnetism and Magnetic Materials

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.05.081



Genau daran arbeiten Ingenieure der 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 kann man auf diese Weise früh Veränderungen in der Struktur finden“, erläutert der Kaiserlauterer Doktorand Shayan Deldar. „Bereits winzige Verformungen verändern die magnetischen Eigenschaften. Dies lässt sich mit spezieller Sensortechnik messen.“

Die Forscher haben einen nichtmagnetischen Stahl mit unterschiedlichen, jeweils 20 Nanometer 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. „Hierbei findet der sogenannte Kerr-Effekt Verwendung“, erläutert Smaga das Verfahren, „mit dem sich die magnetischen Mikrostrukturen, die sogenannten Domänen, über die Drehung der Polarisationsrichtung von Licht abbilden lassen.“

Die Wissenschaftler haben wenige Millimeter große magnetisch beschichtete Stahl-Plättchen untersucht, die zuvor einer mechanischen Belastung ausgesetzt waren. „Wir haben beobachtet, dass es zu einer charakteristischen Veränderung der magnetischen Domänenstruktur kommt“, erklärt Privatdozent Dr. Martin Jourdan vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. „Die mikroskopischen Dehnungen im nichtmagnetischen Stahl führen dazu, dass sich die Magnetisierungsrichtung der dünnen Schicht verändert.“

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

Die Arbeiten fanden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Spin+X – Spin in seiner kollektiven Umgebung“ statt, der an der TU Kaiserslautern und der JGU angesiedelt ist. Hier beschäftigen sich Forscherteams aus Chemie, Physik sowie Maschinenbau und Verfahrenstechnik interdisziplinär mit magnetischen Effekten, die in die Anwendung überführt werden sollen. Im Fokus steht dabei der Spin. In der Sprache der Physik beschreibt der Spin den quantenmechanischen Eigendrehimpuls eines Quantenteilchens, etwa eines Elektrons oder Protons. Er bildet die Grundlage für viele magnetische Phänomene.


Die News der letzten 14 Tage 11 Meldungen

28.11.2022
Elektrodynamik | Festkörperphysik
Wie man Materialien durchschießt, ohne etwas kaputt zu machen
Wenn man geladene Teilchen durch ultradünne Materialschichten schießt, entstehen manchmal spektakuläre Mikro-Explosionen, manchmal bleibt das Material fast unversehrt.
25.11.2022
Sonnensysteme | Astrophysik
Im dynamischen Netz der Sonnenkorona
In der mittleren Korona der Sonne entdeckt ein Forscherteam netzartige, dynamische Plasmastrukturen – und einen wichtigen Hinweis auf den Antrieb des Sonnenwindes.
25.11.2022
Exoplaneten | Astrophysik
Rätselraten um einen jungen Exo-Gasriesen
Eine Foschergruppe hat einen Super-Jupiter um den sonnenähnlichen Stern HD 114082 entdeckt, der mit einem Alter von 15 Millionen Jahren der jüngste Exoplanet seiner Art ist.
24.11.2022
Teilchenphysik | Festkörperphysik | Quantenphysik
Spin-Korrelation zwischen gepaarten Elektronen nachgewiesen
Physiker haben erstmals experimentell belegt, dass es eine negative Korrelation gibt zwischen den beiden Spins eines verschränkten Elektronenpaares aus einem Supraleiter.
23.11.2022
Festkörperphysik | Quantenoptik
Lichtstrahlen beim Erlöschen zusehen
Ein Forschungsteam konnte erstmals messen, wie das Licht eines Leuchtzentrums in einem Nanodraht nach dessen Anregung durch einen Röntgenpuls abklingt.
22.11.2022
Exoplaneten | Teleskope
Weltraumteleskop JWST: Neues von den Atmospären von Exoplaneten
Beobachtungen des Exoplaneten WASP-39b mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben eine Fülle von Informationen über die Atmosphäre des Planeten geliefert.
21.11.2022
Galaxien | Schwarze Löcher | Teleskope
Schärfster Blick in den Kern eines Quasars
Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern präsentiert neue Beobachtungen des ersten jemals identifizierten Quasars.
22.11.2022
Festkörperphysik | Physikdidaktik
Chemielehrbücher: Es gibt keine Kohlensäure - Falsch!
Die Existenz von Kohlensäure war in der Wissenschaft lange umstritten: theoretisch existent, praktisch kaum nachweisbar, denn an der Erdoberfläche zerfällt die Verbindung.
21.11.2022
Quantenphysik
Ein Quant als Winkel
Die Feinstrukturkonstante ist eine der wichtigsten Naturkonstanten überhaupt: In Wien fand man nun eine bemerkenswerte neue Art, sie zu messen – nämlich als Drehwinkel.
21.11.2022
Akustik | Quantenoptik
Akustische Quantentechnologie: Lichtquanten mit Höchstgeschwindigkeit sortiert
Einem deutsch-spanischen Forscherteam ist es gelungen einzelne Lichtquanten mit höchster Präzision zu kontrollieren.

08.08.2018
Festkörperphysik | Thermodynamik

Eis unter Hochdruck: Bayreuther Forscher beobachten erstmals den Strukturwandel von Eiskristallen
Eiswürfel im Kühlschrank oder Eiszapfen an der Dachrinne sind vertraute Alltagsbeispiele für gefrorenes Wasser.
15.02.2021
Festkörperphysik | Teilchenphysik

Dualer Charakter von Exzitonen im ultraschnellen Regime: atomartig oder festkörperartig?
Exzitonen sind Quasiteilchen, die Energie durch feste Stoffe transportieren können.
06.11.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Auf dem Weg zu intelligenten Mikrorobotern
Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich haben eine Mikromaschine entwickelt, die unterschiedliche Aktionen ausführen kann.
18.05.2020
Festkörperphysik

Supraleitung: Materialien, die Vergangenheit und Zukunft unterscheiden können
Physiker der TU Dresden haben einen spontan zeitlich stabilen magnetischen Zustand mit verletzter Zeitumkehr Symmetrie in der Materialklasse der eisenbasierten Supraleiter entdeckt.
18.02.2019
Festkörperphysik | Quantenphysik

Supraleitung: Warum muss es so kalt sein
Bis heute gibt es keine exakte Rechenmethode, um supraleitende Materialien zu beschreiben.
26.04.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Biegsame Schaltkreise für den 3D-Druck
Eine Forschungskooperation von Universität Hamburg und DESY hat ein 3D-Druck-taugliches Verfahren entwickelt, mit dem sich transparente und mechanisch flexible elektronische Schaltkreise produzieren lassen.
23.07.2018
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Studie zu Werkstoffprüfung: Schäden in nichtmagnetischem Stahl mit Magnetismus aufspüren
Verschleiß, Korrosion, Materialermüdung – diese Abnutzungserscheinungen sind den meisten Werkstoffen gemein.
22.06.2022
Festkörperphysik

Dunklen Halbleiter zum Leuchten gebracht
Ob Festkörper etwa als Leuchtdioden Licht aussenden können oder nicht, hängt von den Energieniveaus der Elektronen im Kristallgitter ab.
05.10.2021
Festkörperphysik | Quantenphysik

Neue Art von Magnetismus in Kult-Material entdeckt
Ein internationales Wissenschaftsteam macht eine wegweisende Entdeckung in Strontiumruthenat.
07.11.2022
Festkörperphysik

Nano-Bauteile clever voneinander gelöst
Physiker finden eine Lösung für das steuerbare Trennen von verklebten Nano-Bauteilen.
23.09.2019
Festkörperphysik

Wie man effiziente Materialien für OLED-Displays entwickelt
Für Anwendungen wie Leuchtdioden oder Solarzellen stehen heute organische Materialien im Mittelpunkt der Forschung.
11.07.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Leistungsstärkere weiße OLEDs: Dresdner Physiker befreien Photonen mittels Nanostrukturen
Organische Leuchtdioden (OLEDs) haben dank intensiver Forschungsarbeiten in den letzten Jahrzehnten den Elektronikmarkt immer weiter erobert – von OLED-Handydisplays bis zu herausrollbaren Fernsehbildschirmen, die Liste der Anwendungsfelder ist lang.
05.02.2021
Festkörperphysik | Quantenphysik

Lang lebe die Supraleitung!
Supraleitung - die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom verlustfrei zu übertragen - ist ein Quanteneffekt, der trotz jahrelanger Forschung noch immer auf tiefe Temperaturen be-schränkt ist.
07.05.2020
Festkörperphysik

Neue Messmethode hilft, Physik der Hochtemperatur-Supraleitung zu verstehen
Von einer nachhaltigen Energieversorgung bis hin zu Quantencomputern: Hochtemperatur-Supraleiter könnten unsere heutige Technik revolutionieren.
21.04.2022
Festkörperphysik | Klassische Mechanik | Quantenoptik

Licht-Motoren für Mikrodrohnen
Mikrometergroße Drohnen nur mit Licht anzutreiben und präzise zu steuern: Das ist Physikern der Universität Würzburg erstmals gelungen.
28.11.2022
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Wie man Materialien durchschießt, ohne etwas kaputt zu machen
Wenn man geladene Teilchen durch ultradünne Materialschichten schießt, entstehen manchmal spektakuläre Mikro-Explosionen, manchmal bleibt das Material fast unversehrt.
30.01.2015
Festkörperphysik | Quantenphysik | Relativitätstheorie

Wie allgemein ist die Allgemeine Relativitätstheorie?
Egal ob Feder, Apfel oder Ziegelstein: Im Vakuum, wenn es keine Reibung mehr gibt und nur noch die Gravitation wirkt, fallen alle Körper gleich schnell.
22.09.2022
Festkörperphysik | Thermodynamik

Molekülschwingungen schärfer denn je messbar!
Mit Rastertunnelmikroskopen lassen sich zwar einzelne Moleküle abbilden, ihre Schwingungen waren damit bisher aber nur schwer detektierbar.
22.06.2021
Festkörperphysik | Teilchenphysik

Exotische Supraleiter: Das Geheimnis, das keines ist
Wie reproduzierbar sind Messungen in der Festkörperphysik?
23.11.2015
Festkörperphysik | Klassische Mechanik

Wie begann die Plattentektonik auf der Erde?
Mantelplume setzte das erste Abtauchen der Lithosphärenplatte in Gang.
06.10.2021
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Forschungsteam beobachtet eigenes Magnetfeld bei Doppellagen-Graphen
Normalerweise hängt der elektrische Widerstand eines Materials stark von dessen Abmessungen und elementarer Beschaffenheit ab.
06.09.2022
Festkörperphysik | Klassische Mechanik

Schnellere Reibung – weniger Verschleiß
Ein scheinbar paradoxer Effekt: Reibung richtet normalerweise bei höheren Geschwindigkeiten mehr Schaden an, aber bei sehr hohen Geschwindigkeiten kehrt sich das um.
10.10.2022
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Topologische Materialien werden umschaltbar
Weil sie extrem stabil sind, spielen sogenannte „topologische Zustände“ in der Materialforschung eine wichtige Rolle.
26.10.2018
Festkörperphysik

Unmögliches möglich machen
Multiferroika gelten als Wundermaterial für künftige Datenspeicher – sofern man ihre besonderen Eigenschaften auch bei den Betriebstemperaturen von Computern erhalten kann.
26.11.2018
Festkörperphysik

Selbstorganisierte, molekulare Monolagen für effiziente Perowskit-Solarzellen
Ein Team am HZB hat ein neues Verfahren entdeckt, um effiziente Kontaktschichten in Perowskit-Solarzellen zu realisieren: Es basiert auf Molekülen, die sich selbstorganisierend anordnen und eine Monolage bilden.
26.11.2018
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Thermoelektrische Kühlung wird fit für die Mikrotechnologie
Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung haben die Herstellung thermoelektrischer Bauelemente deutlich verbessert, so dass sie schnell, zuverlässig und in Mikrochips integrierbar sind.
24.10.2018
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Erste elektronische Autobahnen auf der Nanoskala
Internationale Forschungskooperation: Die gezielte Funktionalisierung von kohlenstoff-basierten Nanostrukturen erlaubt es erstmals, Strompfade direkt abzubilden und eröffnet dabei Wege für neuartige Quantenbauelemente.
07.01.2021
Raumfahrt | Festkörperphysik | Quantenoptik

MOONRISE: Schritt für Schritt zur Siedlung aus Mondstaub
Als Bausteine sind sie noch nicht nutzbar – aber die mit dem Laser aufgeschmolzenen Bahnen sind ein erster Schritt zu 3D-gedruckten Gebäuden, Landeplätzen und Straßen aus Mondstaub.
17.09.2018
Festkörperphysik

Patentierte Nanostruktur für Solarzellen: Raue Optik, glatte Oberfläche
Kristalline Dünnschichtsolarzellen aus Silizium sind preisgünstig und schaffen Wirkungsgrade von gut 14 Prozent.
24.04.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Frustrierte Materialien unter Hochdruck
Nicht nur Menschen leiden ab und an unter Frust.
20.07.2021
Festkörperphysik | Thermodynamik

Ein Stoff, zwei Flüssigkeiten: Wasser
Wasser verdankt seine besonderen Eigenschaften möglicherweise der Tatsache, dass es aus zwei verschiedenen Flüssigkeiten besteht.
25.04.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Quantenphysik

Mit Diamanten den Eigenschaften zweidimensionaler Magnete auf der Spur
Physikern der Universität Basel ist es erstmals gelungen, die magnetischen Eigenschaften von atomar dünnen Van-der-Waals-Materialien auf der Nanometerskala zu messen.
05.04.2018
Festkörperphysik

Neuer Weg zu atomar dünnen Materialien
Weg mit dem Silizium: Titancarbid-Nanoplättchen aus Titansiliziumcarbid durch selektives Ätzen.
07.01.2019
Festkörperphysik

Photovoltaik-Trend Tandemsolarzellen: Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis
Siliciumsolarzellen dominieren heute den Photovoltaikmarkt aber die Technologie nähert sich dem theoretisch maximalen Wirkungsgrad an, der mit Silicium als alleinigem Absorbermaterial erreicht werden kann.
08.11.2018
Festkörperphysik | Teilchenphysik

«Synchronisiertes» Licht
Wenn Fotoemitter miteinander kooperieren, dann strahlen sie gleichzeitig, ein Phänomen, das als Superfluoreszenz bekannt ist.
24.05.2018
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln
Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten.
11.11.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Magnetisches Tuning auf der Nanoskala
Magnetische Nanostrukturen maßgeschneidert herzustellen und nanomagnetische Materialeigenschaften gezielt zu beeinflussen, daran arbeiten Physiker des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) gemeinsam mit Kollegen des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden und der Universität Glasgow.
19.10.2018
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Magnetische Sensoren ermöglichen richtungsabhängige Temperaturmessung
Durch die Kombination von verschiedenen thermomagnetischen Effekten sind Sensoren für richtungsabhängige Temperatursensoren möglich.
24.03.2020
Festkörperphysik

Mehr Leistung für Hochfrequenzanwendungen: GaN-Hochfrequenztransistoren erreichen Rekord-Effizienz bei 100 Volt
Forschern am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF ist es gelungen, die Ausgangsleistung ihrer GaN-basierten Hochfrequenztransistoren für den Frequenzbereich von 1 - 2 GHz erheblich zu steigern: Sie haben die Betriebsspannung der Bauelemente von 50 Volt auf 100 Volt verdoppeln können und damit einen Leistungswirkungsgrad von 77,3 Prozent erreicht.
19.09.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Flüssigkristalline „Stromkabel“
Forscher der JGU synthetisieren neue Flüssigkristalle, die Strom gerichtet leiten können.
02.09.2022
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Quantenphysik | Thermodynamik

Neues Fell für Schrödingers Katze
Ob Magnete oder Supraleiter: Materialien sind für ihre Eigenschaften bekannt, doch unter extremen Bedingungen können sich solche Eigenschaften spontan ändern.
14.06.2021
Festkörperphysik | Quantenphysik

Isolatoren bringen Quantenbits zum Schwitzen
Schwachleitende oder nichtleitende Materialien haben Innsbrucker Physiker als wichtige Quelle für Störungen in Ionenfallen-Quantencomputern identifiziert.
16.12.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Metall mit ungewöhnlichen Eigenschaften
Eine chinesisch-deutsche Forschungskooperation mit Beteiligung der Universität Augsburg hat bei einem Metall Eigenschaften nachgewiesen, die sich mit gängigen physikalischen Theorien nicht erklären lassen.
01.06.2018
Festkörperphysik | Optik

Rätsel um mit Licht angeregtes Graphen gelöst
Fortschritt in der Entwicklung von Lichtsensoren auf Graphenbasis.
08.05.2019
Festkörperphysik | Quantenoptik

Experimenteller Meilenstein: Lichtbasierter Computerchip funktioniert ähnlich wie das Gehirn
Einem internationalen Forscherteam der Universitäten Münster, Oxford und Exeter ist die Entwicklung einer Hardware gelungen, die den Weg in Richtung hirnähnliche Computer ebnen könnte: Die Nanowissenschaftler haben einen Chip hergestellt, auf dem sich ein Netz aus künstlichen Neuronen und Synapsen erstreckt, das in der Lage ist, Informationen zu „lernen“ und auf Basis dessen zu rechnen.
09.05.2018
Festkörperphysik

Licht-induzierte Supraleitung unter hohem Druck
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) am Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg haben die licht-induzierte Supraleitung im Alkali-dotierten Fullerid K3C60 unter hohem, extern angelegtem Druck untersucht.
25.05.2018
Festkörperphysik

Kugelmühlen statt Lösungsmittel: Nanographene mit Mechanochemie
Chemiker Dr.
25.06.2019
Festkörperphysik

Neue Erkenntnisse könnten Solarzellen günstiger machen
Seit vielen Jahren versuchen WissenschafterInnen die Dynamik in komplexen Materialien bei verschiedenen Temperaturen zu beschreiben.
30.07.2018
Festkörperphysik

Einzelne Silber-Nanopartikel in Echtzeit beobachtet
Chemikerinnen und Chemiker der Ruhr-Universität Bochum haben eine neue Methode entwickelt, um in Echtzeit die chemischen Reaktionen von einzelnen Silber-Nanopartikeln zu beobachten, die gerade einmal ein Tausendstel der Dicke eines menschlichen Haares messen.
28.01.2020
Festkörperphysik

Auf die Nähe kommt es an: Wie Kristall den Widerstand von Graphen beeinflusst
Graphen wird oft als Wundermaterial der Zukunft bezeichnet.