• 8. November 2011

    Wie funktioniert eigentlich … Fluoreszenz?

    Die Fluoreszenz von Stoffen kommt in vielen Bereichen der Werkstoffprüfung zum Einsatz, z.B. bei der Magnetpulverprüfung und der Spektralanalyse. Namensgeber des Wortes Fluoreszenz ist das Mineral Fluorit (auch Flussspat oder Calciumfluorid genannt), welches unter UV-Strahlung blau-violett leuchtet. Fluoreszenz bedeutet physikalisch, einen Stoff durch Strahlung zum Strahlen anzuregen.

    Wie Fluoreszenz technisch angewendet wird, soll am Beispiel der Oberflächenrissprüfung eines Bauteils mit fluoreszierenden Prüfmitteln erklärt werden. Dazu betrachten wir im ersten Bild das sichtbare Spektrum der Sonne. Das abgebildete Spektrum beinhaltet Absorptionseffekte der Atmosphäre und der Wolken – das erklärt den etwas „unsteten“ Verlauf und die tiefen Einschnitte. Wichtig für uns sind die folgenden Punkte:

    • Das menschliche Auge kann elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von ca. 400 nm (violettes Licht) bis ca. 700 nm (rotes Licht) wahrnehmen. Diese Strahlung nennen wir Licht.
    • Die Strahlungsenergie nimmt mit zunehmender Wellenlänge ab. Violettes Licht ist energiereicher als rotes Licht.
    • Sonnenlicht hat seine höchste Intensität bei einer Wellenlänge von etwa 550 nm. Diese entspricht gelb-grünem Licht, welches sich etwa in der Mitte des für uns sichtbaren Spektrums befindet.
    • Das menschliche Auge hat sich im Laufe der Evolution auf das Spektrum der Sonne eingestellt. Mit anderen Worten: Unser Auge ist da am leistungsfähigsten, wo es das meiste Licht (hohe Intensität) angeboten bekommt. Deshalb kann unser Auge gelb-grünes Licht besonders gut wahrnehmen.

    Das nächste Bild zeigt das Spektrum einer UV-Leuchte, wie sie bei der Rissprüfung mit fluoreszierenden Prüfmitteln verwendet wird. Die folgenden Punkte sind für uns wichtig:

    • Ein relativ schmaler Peak befindet sich jenseits des violetten Lichtes. Dieser Peak kennzeichnet die von der UV-Leuchte abgegebene ultraviolette Strahlung.
    • Den anderen und recht breiten Peak findet man jenseits des roten Lichtes. Dieser Peak kennzeichnet die von der UV-Leuchte abgegebene infrarote Strahlung (Wärmestrahlung).
    • Die Intensität der von der UV-Leuchte abgegebenen Strahlung ist im Bereich 400 nm bis 700 nm nahezu null. In anderen Worten: Die UV-Leuchte gibt praktisch kein sichtbares Licht ab. Aus diesem Grunde nennt man UV-Leuchten umgangssprachlich auch „Schwarzlichtlampen“.

    Nun kommen wir zurück zur Rissprüfung eines Bauteils. Die verfolgt das Ziel, auch kleinste Fehler mit hoher Empfindlichkeit nachzuweisen. Zunächst müssen wir dafür sorgen, dass sich Prüfmittel im Bereich der Risse ansammelt (siehe Beitrag Magnetpulverprüfung ). Für den Nachweis des Prüfmittels an diesen Bereichen werden Kontrastunterschiede genutzt:

    • Farbkontraste – z.B. rotes Prüfmittel auf weißem Grund,
    • Helligkeitskontraste – leuchtendes Prüfmittel auf dunklem Grund

    Mit Helligkeitskontrasten arbeitet man, wenn man besonders hohe Nachweisempfindlichkeiten erreichen will. Würden wir aber ein reflektierendes Prüfmittel einfach mit Licht anstrahlen, dann würden wir natürlich auch die Bauteiloberfläche anstrahlen und wir hätten „leuchtendes Prüfmittel auf leuchtendem Grund“. Das produziert also keinen Kontrast.

    Stattdessen gehen wir wie folgt vor: Das Prüfmittel wird mit einer fluoreszierenden Substanz versehen. Bei Eindringprüfmitteln ist diese Substanz im Eindringmittel gelöst, bei Magnetpulverprüfmitteln sind die Magnetpulverteilchen mit einer fluoreszierenden Substanz beschichtet. Wird diese Substanz einer ultravioletten Strahlung ausgesetzt, so werden in dieser Substanz Elektronen angeregt, die beim „Abregen“ eine andere Strahlung – nämlich Licht – aussenden (siehe Beitrag Spektrometrie ).

    Jetzt haben wir alle Fakten zusammen, um die Bedeutung der Fluoreszenz für die Rissprüfung zu erklären und betrachten dazu das dritte Bild:

    • Wir nutzen ein Prüfmittel mit einer fluoreszierenden Substanz. Wird diese Substanz angeregt, dann sendet sie Licht aus. Was für Licht sollte das sein? Natürlich Licht, das wir besonders gut wahrnehmen können: Gelb-grünes Licht mit einer Wellenlänge von ca. 550 nm.
    • Wir bestrahlen die Bauteiloberfläche mit ultravioletter Strahlung, und das aus zwei Gründen:
      • Wir benötigen eine Strahlung, deren Energie mindestens der Energie des gelb-grünen Lichtes entspricht, um das fluoreszierende Prüfmittel anregen zu können. UV-Strahlung hat sogar deutlich mehr Energie als gelb-grünes Licht.
      • Wir benötigen für den Hell-Dunkel-Kontrast eine „Anregungs-Strahlung“, die unser Auge nicht wahrnehmen kann (Stichwort Schwarzlichtlampe).
    • Unter Wirkung der UV-Strahlung beginnt das Prüfmittel zu leuchten. Da wo ein Riss ist, hat sich Prüfmittel gesammelt und da wo kein Riss ist, ist auch kein Prüfmittel. Folglich finden wir eine leuchtende Anzeige auf dunklem Grund vor.

    Der intensitätsstarke und breite Peak im infraroten Bereich des Spektrums der UV-Leuchte spielt für die Fluoreszenz keine Rolle: Die Leuchte produziert im infraroten Bereich zwar sehr viele Strahlungsteilchen (hohe Intensität), aber deren Energie ist zu gering, um die fluoreszierende Substanz anzuregen. Dazu eine Analogie aus dem Alltagsleben: Soll ein Geschoss eine Glasscheibe durchschlagen, so kommt es allein auf die Energie des Geschosses an. Mit Tischtennisbällen funktioniert das nicht, selbst wenn man Tausende davon wirft. Ein einziger Stein aber kann ausreichen.

    Wie funktioniert die Fluoreszenz bei der Röntgenfluoreszenzanalyse mit einem RFA-Spektrometer? Nun, zunächst erzeugt dieses Gerät Röntgenstrahlen mit Hilfe einer Miniatur-Röntgenröhre. Das Spektrum dieser Röntgenstrahlung ist vergleichbar mit dem der Sonne (Bild 1), hat aber viel höhere Energien. Diese Röntgenstrahlen treffen auf die zu analysierende Probe und regen dort Elektronen an, die beim „Abregen“ Strahlung aussenden – und zwar Röntgenstrahlung.

    Und ab hier könnte man im Beitrag Spektrometrie weiterlesen …

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  • 2. November 2011

    Wie funktioniert eigentlich Magnetpulverprüfung?

    Die Magnetpulverprüfung ist wie alle zerstörungsfreien Prüfverfahren die praktische Anwendung eines physikalischen Effektes bzw. einer physikalischen Eigenschaft. In unserem Fall heißt die physikalische Eigenschaft Permeabilität. Das Wort Permeabilität bedeutet Durchlässigkeit – und zwar die Durchlässigkeit eines Werkstoffes für magnetische Feldlinien.

    Werkstoffe reagieren unterschiedlich auf Magnetfelder. Im folgenden Bild befinden sich Bauteile (Würfel) in einem Magnetfeld H. Dadurch wird im Bauteil ein Magnetfeld B (die magnetische Flussdichte) erzeugt. Die Physik des Magnetismus ist recht kompliziert, aber vereinfacht kann man sich die Permeabilität als das Verhältnis der Feldlinienanzahl im Inneren des Bauteils (B) zur Anzahl der äußeren Feldlinien (H) vorstellen:

    • Stoffe, die weniger Feldlinien aufnehmen, als außen vorhanden (Bild links), nennen wir Diamagnete. Diamagnete, wie z.B. Kupfer, haben eine sehr kleine Permeabilität.
    • Stoffe, die etwas mehr Feldlinien aufnehmen, als außen vorhanden (Bild Mitte), nennen wir Paramagnete. Paramagnete, wie z.B. Aluminium oder Luft, haben ebenfalls eine sehr kleine Permeabilität.
    • Stoffe, die sehr viel mehr Feldlinien aufnehmen, als außen vorhanden (Bild rechts), nennen wir Ferromagnete. Ferromagnete, wie z.B. Eisen oder Nickel, haben eine sehr große Permeabilität.

    In Ferromagneten führt die hohe Permeabilität dazu, dass äußere Magnetfelder im Werkstoff extrem verstärkt werden. Ferromagnetische Werkstoffe „saugen“ Feldlinien geradezu auf, wie ein trockener Schwamm das Wasser. Das nutzen wir bei der Magnetpulverprüfung ferromagnetischer Werkstoffe. Die Magnetpulverprüfung wird mitunter auch als magnetischer Lecktest bezeichnet, und in der Tat hat sie einiges gemeinsam z.B. mit der Überprüfung der Dichtheit eines Fahrradschlauches.

    Das folgende Bild zeigt ein ferromagnetisches Bauteil mit einem Riss – den wollen wir finden. Um ein Loch im Fahrradschlauch zu finden, pumpen wir den Schlauch mit Luft auf. Um den Riss im Bauteil zu finden, „pumpen“ wir das ferromagnetische Bauteil mit Feldlinien auf – wir magnetisieren es. Dabei erzeugen wir im Innern des Bauteils zahlreiche Feldlinien, die das Bauteil ausfüllen. Im Bereich des Risses gibt es aber ein Problem. Ein Riss ist nicht mit einem ferromagnetischen Material „gefüllt“, sondern z.B. mit Luft.

    Luft aber ist paramagnetisch, und die vielen Feldlinien dürfen nicht einfach den Riss passieren, denn Luft kann nur wenige Feldlinien aufnehmen. Einige Feldlinien können, wie im Bild skizziert, unter den Riss „ausweichen“. Die überwiegende Zahl der Feldlinien aber muss das Bauteil im Bereich des Risses verlassen und kann erst hinter dem Riss wieder ins Bauteil „eintauchen“. Die Feldlinien, die das Bauteil verlassen, nennen wir den magnetischen Streufluss. Der Streufluss befindet sich da, wo sich der Riss befindet, und er ist vergleichbar mit der Luft, die aus einem Loch im Fahrradschlauch entweicht.

    Wie wir den Streufluss S nachweisen, zeigt das nächste Bild. Wir können zum einen mit einer Sonde (im Bild links eine Spule) über die Bauteiloberfläche fahren. Bewegt sich die Spule durch das Feld des Streuflusses, dann wird in der Spule eine Spannung induziert, die mit einem geeigneten Messgerät nachgewiesen werden kann. Diese Prüftechnik nennt man Streuflusstechnik.

    Wir können aber auch die Magnetpulvertechnik anwenden. Dazu tragen wir sehr kleine, ferromagnetische Teilchen (Magnetpulver) auf die Bauteiloberfläche auf. Das geschieht üblicherweise mit einer Trägerflüssigkeit, um die Beweglichkeit des Magnetpulvers auf der Bauteilfläche zu erhöhen. Ist ein Riss vorhanden, so lagern sich die Magnetpulverteilchen längs des Risses an. Warum tun sie das?

    Dort, wo der magnetische Streufluss das Bauteil verlässt, bildet sich ein Magnetpol, und dort wo der Streufluss wieder ins Bauteil eintritt, bildet sich der magnetische Gegenpol. Die Magnetpulverteilchen werden also von den Magnetpolen im Bereich des Risses angezogen, eingefangen und festgehalten. Und sind sie einmal in Position, so wirken diese ferromagnetischen Teilchen für die Feldlinien des Streuflusses wie Brücken, über die die Feldlinien auf kürzestem Wege wieder ins Bauteil gelangen (Bild rechts).

    Jetzt müssen wir noch dafür sorgen, dass wir die winzigen Magnetpulverteilchen schnell und zuverlässig auf der Bauteiloberfläche entdecken. Dazu werden die Teilchen mit einer Hülle aus einem Farbstoff bzw. einem fluoreszierenden Stoff versehen. Insbesondere die Prüfung mit fluoreszierendem Pulver und einem Ultraviolett-Strahler sorgt für sehr hohe Prüfempfindlichkeit.

    Im Falle des beschädigten Fahrradschlauchs weisen wir die entweichende Luft mit einer Seifenlösung und die sich darin bildenden Blasen nach – wo die Blasen entstehen, da ist das Loch. Prüfen wir ferromagnetische Bauteile, dann finden wir die „magnetische Leckage“ mit Hilfe von Sonden oder Magnetpulver.

    Ganz wichtig bei der Magnetpulverprüfung ist die Magnetisierungsrichtung – also die Orientierung des inneren Magnetfeldes zum möglichen Riss. In den oben dargestellten Bildern ist das Magnetfeld senkrecht zum Riss orientiert. Im nächsten Bild betrachten wir ein Magnetfeld, das parallel zum Riss verläuft. Wir sehen, dass sich die Feldlinien in diesem Falle ganz einfach an die Geometrie anpassen und keinerlei Streufluss entsteht. Wenn aber kein Streufluss existiert, dann können wir den Riss auch nicht nachweisen.

    Wir erkennen, dass es Orientierungen des Magnetfeldes zum Riss gibt, für die der Riss nicht nachgewiesen werden kann. Für einen guten Nachweis müssen Riss und Magnetfeld nicht genau senkrecht zueinander orientiert sein – aber eine parallele Orientierung zueinander ist definitiv sehr schlecht für die Risserkennung. Üblicherweise wissen wir nicht, in welche Richtung die Risse orientiert sind – wir müssen bei der Magnetisierung von jeder beliebigen Rissorientierung ausgehen und entsprechend magnetisieren. Wie machen wir das? Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten:

    • Wir magnetisieren in zwei unterschiedliche Richtungen – z.B. zweimal 90° versetzt. So erfolgt üblicherweise die Magnetpulverprüfung von Schweißnähten mit einem Handjoch.
    • Wir erzeugen ein rotierendes Magnetfeld, das alle Richtungen überstreicht. Das geschieht auf elektronischem Wege und wird kombinierte Prüfung genannt.
    • Wir können das Bauteil (und damit die möglichen Risse) durch ein konstantes Magnetfeld rotieren lassen. So funktioniert die Mindener Spule für die Magnetpulverprüfung von Eisenbahnrädern.

    Magnetpulverprüfung bzw. Streuflussprüfung anzuwenden bedeutet also, Permeabilitätsunterschiede zu finden. Die Magnetpulvertechnik und die magnetische Streuflusstechnik „kennen“ keine Risse. Sie reagieren auf den Permeabilitätsunterschied, den ein Riss hervorruft, denn das Bauteil ist ferromagnetisch, die Luft im Riss aber paramagnetisch. Hätten wir eine „magnetische Flüssigkeit“ mit genau derselben Permeabilität wie das Bauteil, und würden wir mit dieser Flüssigkeit den Riss füllen, so würden Magnetpulvertechnik und Streuflusstechnik versagen.

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  • 31. Oktober 2011

    Wie funktioniert eigentlich … Spektrometrie?

    Die Spektrometrie wird in zahlreichen Gebieten der Physik, Chemie und Technik eingesetzt – von der Analyse der inneren Struktur von Atomkernen bis hin zum Studium der Abläufe chemischer Reaktionen. Gegenstand dieses Beitrages sind spektrometrische Verfahren für die Analyse der chemischen Zusammensetzung von Werkstoffen – speziell die optische Emissionsspektrometrie (OES) und die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA).

    Um zu verstehen, wie Spektrometrie funktioniert, machen wir zunächst einen Abstecher in die Welt der Atome. Wir betrachten ein einfaches Modell, in dem die Elektronen den Atomkern umkreisen. Die Elektronen bewegen sich dabei nicht „irgendwo“, sondern auf ganz bestimmten Bahnen (Schalen). Im Bild ist ein Magnesiumatom dargestellt. Zwei seiner 12 Elektronen bewegen sich auf der innersten Schale. Die nächste Schale besteht aus 2 Unterschalen mit 2 bzw. 6 Elektronen. Die dritte Schale besteht aus 3 Unterschalen, die Platz für 2, 6 bzw. 10 Elektronen bieten – beim Magnesium ist nur die erste Unterschale mit 2 Elektronen besetzt.

    Die Anzahl der Elektronen pro Schale kann unterschritten werden (dazu kommen wir noch), darf aber niemals überschritten werden. Die skizzierte Abfolge der Elektronenschalen (2, 2+6, 2+6+10, …) ist für jedes chemische Element identisch. Auch die Elektronenhülle des Wasserstoffatoms verfügt über all die genannten Elektronenschalen, sein einziges Elektron hält sich aber „üblicherweise“ auf der innersten Schale auf.

    Die Elektronenschalen der verschiedenen chemischen Elemente unterscheiden sich nur hinsichtlich ihrer Besetzung (je nach Anzahl der Elektronen des Elementes) und hinsichtlich des Schalendurchmessers und damit hinsichtlich der Energie, die jedes Elektron auf seiner Schale hat. Elektronen haben auf ihren Schalen „unverwechselbare“ Energien, die charakteristisch für das konkrete chemische Element sind.

    Je weiter weg vom Kern die Bahn eines Elektrons verläuft, desto mehr Energie hat das Elektron. Elektronen würden sich aber am „liebsten“ auf den innersten Schalen aufhalten, denn sie streben einen Zustand minimaler Energie an. Die Plätze pro Schale sind aber streng limitiert, und wenn die inneren Plätze besetzt sind, dann müssen die Elektronen mit den äußeren Schalen „vorlieb nehmen“. Nun haben wir alle „atomphysikalischen Grundlagen“ für die Spektralanalyse zusammen, schreiten zur praktischen Umsetzung und betrachten dabei das nachfolgende Bild:

    Teilschritt 1 der Spektrometrie ist die Anregung. Wir führen der zu untersuchenden Probe Energie zu (Bild links) mit dem Ziel, Elektronen aus ihren Schalen herauszuschlagen und auf weiter außen gelegene Schalen zu befördern (Bild Mitte). Die Energiezufuhr erfolgt dabei ganz unterschiedlich – z.B:

    • bei der Anregung mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) durch Magnetfelder,
    • bei der OES mit Funken oder Bogenanregung durch elektrischen Strom,
    • bei der RFA durch energiereiche Röntgenstrahlung,
    • bei der Flammenspektrometrie durch Feuer.

    Was ist das Ziel der Anregung? Wir erinnern uns, dass Elektronen sich am „liebsten“ auf den innersten Schalen aufhalten. Wird auf einer inneren Schale ein Platz frei, dann wird dieser umgehend durch ein Elektron besetzt, das sich weiter außen befindet. Auf der äußeren Schale hat das Elektron jedoch mehr Energie als auf der inneren Schale. Diese Energie muss das Elektron abgeben, wenn es nach Innen springen will. Das geschieht durch Emission von Strahlung – dies ist Teilschritt 2 der Spektrometrie (Bild rechts).

    Die abgegebene Strahlung entspricht der Energiedifferenz zwischen der Schale, von der das Elektron springt und der Schale, auf die das Elektron springt. Da aber die Energien der beiden Schalen charakteristisch für das jeweilige chemische Element sind, ist es auch deren Energiedifferenz. In anderen Worten: Die freigesetzte Strahlung kennzeichnet das jeweils angeregte chemische Element absolut eindeutig wie ein „elektromagnetischer Fingerabdruck“.

    Teilschritt 3 der Spektrometrie ist die Zerlegung der von den Elektronen ausgesandten Strahlung für die nachfolgende Spektralanalyse. Nach der Anregung trifft in der Messeinheit des Spektrometers eine große Menge Strahlung ein (von allen möglichen Elektronenübergängen aller möglichen chemischen Elemente der Probe) – die muss aber zerlegt werden, um sie anschließend nach Ihrer Energie (und damit nach dem jeweiligen chemischen Element) „sortieren“ zu können.

    Das folgende Bild zeigt die Strahlung, die bei der Anregung von Helium im sichtbaren Bereich entsteht. Das Licht des Heliums wurde durch Beugung an einem Gitter in seine einzelnen Spektrallinien zerlegt. Der obere Teil des Bildes stellt die Spektrallinien selbst dar, der untere Teil die Analyse dieser Spektrallinien nach ihrer Intensität und Wellenlänge (kennt man die Wellenlänge, dann kennt man automatisch auch die Energie).

    Wenn ein modernes Spektrometer z.B. eine Stahlprobe mit vielen chemischen Elementen analysiert, dann entstehen unzählige Spektrallinien (die des Eisens, des Kohlenstoffs, des Siliziums, …), und ein modernes Hochleistungsspektrometer „sieht“ nach der Zerlegung der Strahlung Tausende von Spektrallinien.

    Der Teilschritt 4 besteht aus der Analyse der Energie und der Intensität der Spektrallinien. Die Energien der Spektrallinien geben Auskunft über die chemischen Elemente, aus denen die Probe zusammengesetzt ist. Die Intensitäten der Spektrallinien geben Auskunft über die Konzentration der jeweiligen chemischen Elemente in der Probe: Viele gleichartige Atome (hohe Konzentration) führen zu vielen gleichartigen Sprüngen, diese produzieren viele identische Strahlungsteilchen, und Intensität ist nichts anderes als die Anzahl der Strahlungsteilchen.

    Nun folgt der Teilschritt 5. Und der hat damit zu tun, dass das, was das Spektrometer misst (nämlich Energien und Intensitäten) nicht das ist, was den Anwender interessiert (nämlich die Namen der chemischen Elemente und deren Konzentrationen in der Probe). Um den Zusammenhang zwischen Energie und chemischem Element einerseits und Intensität und Konzentration andererseits herzustellen, sind in der Datenbank des Spektrometers Kalibrierkurven (Programme) für die Zuordnung hinterlegt:

    • Energie -> chemisches Element (z.B. mit Hilfe der Ordnungszahl) und
    • Intensität -> Konzentration.

    Die Messeinheit des Spektrometers leitet also die gemessenen Energien und Intensitäten an den Computer des Spektrometers weiter, der „schaut“ in seiner Kalibrierkurven-Datenbank nach und kann so jeder Energie ein bestimmtes chemisches Element zuordnen und jeder Intensität eine Konzentration. Je präziser die Kalibrierkurven sind, desto präziser ist auch die auf dem Monitor des Spektrometers angezeigte chemische Analyse.

    Spektrometrie ist wie kollektives bungee jumping für Elektronen. Wir treiben unzählige Elektronen mittels Energie „nach oben“ und sehen ihnen dann dabei zu, wie sie wieder nach unten springen. Art und Anzahl der Sprünge verraten uns, welche chemischen Elemente in welcher Menge in der Probe enthalten sind.

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  • 24. Oktober 2011

    Was ist eigentlich … Spannbeton? (Eigenspannungen – Teil 1)

    Spannbeton „lebt“ von seinen Eigenspannungen. Was Eigenspannungen sind, welche große Bedeutung sie für Bauteile haben, und wie sie erzeugt werden, das soll in diesem und in weiteren Beiträgen beschrieben werden. Das Thema „Spannbeton“ ist sehr gut zum Einstieg in das Sujet „Eigenspannung“ geeignet. Dann steigen wir mal ein:

    Beton ist ein außerordentlich vielseitiger Werkstoff mit zahlreichen Stärken. Dazu gehört u.a., dass Beton sehr hohe Druckkräfte ertragen kann – das nutzen wir zum Beispiel beim Bau hoher Gebäude. Wo Stärken sind, gibt es natürlich auch Schwächen. Dazu gehört die sehr geringe Zugfestigkeit des Betons. Schon relativ geringe Zugkräfte führen dazu, dass Beton reißt. Nun gibt es aber zahlreiche Anwendungsfälle im Baubereich, wo Zugkräfte ertragen werden müssen, wo man aber dennoch gern den sehr flexiblen Baustoff Beton einsetzen möchte. Geht das? Ja, mit Spannbeton.

    Dazu brauchen wir einige Stangen aus hochfestem Stahl, in unserem Bild drei an der Zahl. Hochfest bedeutet, dass die Zugfestigkeit (Kraft, bei der die Stange reißt) und die Streckgrenze (Kraft, bei der sich die Stange erstmals makroskopisch sichtbar verformt) außerordentlich hoch sind.

    Diese Zugfestigkeit und Streckgrenze gestatten uns, die Stahlstangen mit einer Zugspannung (← →) sehr stark vorzuspannen, so wie es im nächsten Bild zu sehen ist. Dabei dehnen wir die Stangen nur elastisch. Das bedeutet, dass sie ihre Ursprungslänge wieder annehmen würden, wenn die Zugkraft verschwindet.

    Wir halten die Stahlstangen, die sich z.B. in einer Form befinden, mit einer Spannvorrichtung unter dieser Zugspannung und füllen die Form nun mit Beton. Der Beton härtet aus und geht mit den Stahlstangen eine kraftschlüssige und formschlüssige Verbindung ein. Kraftschlüssig, weil Reibungskräfte Bewegungen zwischen Beton und Stahloberfläche verhindern, formschlüssig, weil die Stahlstangen meist gerippt sind und ihr Oberflächenprofil eine Bewegung zwischen Beton und Stahlstange verhindert. Ist der Beton ausgehärtet, dann stehen die Stahlstangen natürlich immer noch unter Zugspannungen wogegen der Beton mehr oder weniger spannungsfrei ist – das zeigt das nachfolgende Bild.

    Jetzt werden die Zugkräfte „abgeschaltet“ – z.B. indem das ausgehärtete Betonbauteil aus der Spannvorrichtung genommen wird. Sobald die Zugkräfte nicht mehr an den Stahlstangen angreifen, wollen sich diese natürlich zusammenziehen. Das tun sie dann auch, und zwar gegen den Widerstand des Betons, der eigentlich keine Veranlassung sieht, sich auch zusammenzuziehen. Er wehrt sich also tapfer, wird aber dennoch etwas zusammengepresst.

    Wegen der „Gegenwehr“ des Betons können sich die Stahlstangen nicht vollständig entspannen. Das Ergebnis ist, dass die Stahlstangen immer noch unter Zugspannungen stehen, welche bei Weitem nicht mehr so hoch sind wie im vorgespannten Zustand. Der Beton aber gerät unter Druckspannung (→ ←), weil er ja gezwungen wird, sich etwas zusammenzuziehen. Das verdeutlicht das nächste Bild.

    Wir haben nun ein Betonbauteil, auf das keine äußeren Kräfte (oder Spannungen) mehr wirken, in dessen Inneren es aber Spannungen gibt: Zugspannungen in den Stahlstangen und Druckspannungen im Beton. Solche Spannungen, die ohne das Wirken äußerer Kräfte vorliegen, nennen wir Eigenspannungen. Eigenspannungen können die Funktionsfähigkeit eines Bauteils sehr stark zum Guten oder zum Schlechten beeinflussen. In unserem Fall tun sie es natürlich zum Guten. Warum?

    Dazu betrachten wir das letzte Bild. Wenn jetzt auf das Betonbauteil eine äußere Zugspannung (<= =>) wirkt, dann überlagern sich äußere Spannung und die im Inneren wirkenden Eigenspannungen. Das Ergebnis ist, dass die Stahlstangen wieder unter starke Zugspannungen geraten, was auf den Werkstoff Stahl aber keine Auswirkung hat. Im Beton überlagern sich äußere Zugspannung und innere Druckeigenspannung und solange das Ergebnis der Überlagerung keine zu hohe „Gesamt-Zugspannung“ bewirkt, kann der Beton auch erhebliche äußere Zugkräfte ertragen, ohne dass er reißt.

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  • 19. Oktober 2011

    Qualitätssicherung – damals, vor einigen Jahren …

    Qualitätssicherung – damals, vor einigen Jahren …

    König Hammurapi von Babylon ließ im Jahre 1800 vor Christus die Rechtssprechung seiner Zeit und seines Reiches in Stein meißeln. Der Codex Hammurapi ist eine der ältesten Gesetzessammlungen der Welt und regelte in 281 Paragraphen die verschiedensten Dinge des Lebens: Fragen zur Familie, zu Eigentum und Besitz, zu kaufmännische Angelegenheiten, zu Straftaten und zur Haftung. Letzteres kann man im weitesten Sinne als qualitätssichernde Maßnahme verstehen. Lesen wir doch mal „rein“: Continue reading Qualitätssicherung – damals, vor einigen Jahren …

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  • 13. Oktober 2011

    Nobelpreis für Chemie 2011 an einen Werkstoffwissenschaftler vergeben!

    Nobelpreis für Chemie 2011 an einen Werkstoffwissenschaftler vergeben! 

    Daniel Shechtman erhält den diesjährigen Nobelpreis für Chemie für seine Entdeckung, dass Atome in Metallen sich in nichtperiodischen, fünfzähligen, quasikristallinen Strukturen anordnen können. Was bedeutet das nun, und worin besteht die Leistung von Shechtman?

    Um das besser zu verstehen, wechseln wir den Beruf und werden Fliesenleger. Die jungen Fliesenleger lernen, dass man einen Raum lückenlos mit dreieckigen, viereckigen oder sechseckigen Fliesen füllen kann. Das zeigen die Bilder. Eine dreieckige, gleichschenklige Fliese kann man 3 x um 120° drehen und in jedem der drei Fälle würde sie wieder in das Fliesenmuster passen. So etwas nennt man dreizählige Symmetrie. Viereckige Fliese könnten wir 4 x um 90° drehen und sechseckige Fliese sogar 6 x um 60°, ohne dass sich irgendetwas ändert. Wir können eine Fläche lückenlos mit drei-, vier- oder sechseckigen Fliesen füllen und erhalten dabei in jeder Richtung ganz periodische Anordnungen – Fliese für Fliese für Fliese …

      

    Ähnliche Strukturen finden die Werkstoffwissenschaftler auch in Metallen. Atome ordnen sich in periodischen Kristallstrukturen, deren Symmetrie z.B. dreizählig, vierzählig (Quadrat: 4 x 90°) oder sechszählig ist. Eins aber war immer ein Tabu für die Werkstoffwissenschaftler – eine fünfzählige Symmetrie. Ganz analog zum Fliesenleger, der mit fünfeckigen Fliesen keine Fläche lückenlos ausfüllen kann.

    Wie erkennen die Werkstoffleute solche Symmetrien? Natürlich nicht direkt mit dem bloßen Auge – dafür sind unsere „Metall-Fließen“ viel zu klein. Werkstoffwissenschaftler nutzen indirekte Nachweise – z.B. durch die Beugung von Elektronen- oder Röntgenstrahlen. Das Bild zeigt ein vierzähliges Elektronen-Beugungsmuster eines Metalls, in dem die Atome „würfelförmig“ angeordnet sind. Shechtman fand nun aber Beugungsmuster, die fünfeckig waren. Das war „verboten“!

    Kehren wir mit diesem Gedanken zurück zu unseren Fliesenlegern und stellen uns vor, dass es eine „goldene Regel“ in der Fliesenlegerinnung gibt, die heißt: „Anordnungen mit fünfzähliger Symmetrie sind unmöglich“. Und nun kommt „Fliesenleger Shechtman“ und sagt: „Ich hab was Fünfeckiges gefunden“. Wie begeistert wird die Fliesenlegerinnung wohl gewesen sein? Gar nicht! Shechtman musste mehrere Jahre kämpfen, um seine Ergebnisse gegen den Widerstand der „etablierten Wissenschaft“ überhaupt veröffentlichen zu dürfen. Seine Ergebnisse wurden von anerkannten Gelehrten als falsch oder als Spinnerei abgetan. Den Nobelpreis erhält er circa 30 Jahre nach seiner Entdeckung.

    Wie können sich Atome in fünfzähligen Strukturen anordnen, obwohl man mit Fünfecken keine Fläche lückenlos füllen kann? Wie das geht, zeigt das Bild:

    Man nehme zwei spezielle Typen von gleichseitigen Rauten (also Vierecken!), deren spitze Winkel 72° bzw. 36° betragen und ordne sie, wie im Bild dargestellt. Die Fläche ist nun vollständig gefüllt, aber wir erhalten keine periodische Anordnung wie bei den drei-, vier- und sechseckigen Fliesenmustern. Wenn man sich genauer ansieht, in welche Richtungen die Kanten der Rauten zeigen, so findet man fünf unterschiedliche Richtungen – das ist unsere fünfzählige Symmetrie! Ordnen sich Atome so an, dann nennt das der Werkstoffwissenschaftler Quasikristall – soll heißen, es gibt keine periodische Regelmäßigkeit, aber es gibt auch keine Lücken.

    Wofür hat Shechtman nun den Nobelpreis bekommen?
    • Weil er Einzigartiges gefunden hat.
    • Weil er Revolutionäres gedacht hat.
    • Weil er seine Überzeugung verteidigt hat.
    • Weil er die Welt der Werkstoffwissenschaften verändert hat.
    • Und außerdem haben Quasikristalle ganz interessante und nützliche Eigenschaften …

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  • 13. Oktober 2011

    Was sind eigentlich … Versetzungen?

    Versetzungen begegnen uns vor allem in Metallen. Dort sind die Atome ganz regelmäßig angeordnet und bilden auf diese Art Kristalle. Was könnten wir mit einem Metall wie z.B. Eisen anfangen, in dessen Inneren sich die Atome absolut perfekt, ohne jede Abweichung – also ohne jeden Kristallbaufehler – angeordnet haben? Die vielleicht überraschende Antwort: Herzlich wenig!

    So überraschend es klingt: Metalle funktionieren nur durch Ihre Kristallbaufehler. Und der sicher wichtigste unter diesen Kristallbaufehlern ist die Versetzung. Versetzungen machen z.B. die plastische Verformung von Metallen erst möglich und bestimmen Festigkeit und Zähigkeit eines Werkstoffes entscheidend.

    Die Theorie der Versetzungen ist recht kompliziert, es gibt aber ein gutes Beispiel aus dem Alltagsleben, an dem man alles Wichtige verdeutlichen kann. Unseren Werkstoff stellen wir uns als einen großen Teppich vor. Dann ist die Versetzung eine Teppichfalte. Wollen wir den Teppich verschieben, dann erzeugen wir eine Teppichfalte und schieben diese durch den Teppich. Reicht die Verschiebung nicht aus, dann schieben wir eine weitere Falte hinterher. Durch entsprechend orientierte Teppichfalten und deren Anzahl können wir den Teppich in beliebige Richtung und beliebig weit verschieben.

    Plastische Verformung von Werkstoffen (z.B. Schmieden oder Walzen) bedeutet Bewegung von Versetzungen durch den Werkstoff bis die gewünschte Form erreicht ist. Allerdings ist unsere Versetzung im Vergleich zur Teppichfalte winzig klein und „verschiebt“ den Werkstoff nur um etwa den zehnmillionsten Teil eines Millimeters. Bei der Massivumformung eines Werkstoffes (z.B. beim Schmieden) ist also eine unvorstellbar große Zahl von Versetzungen im Einsatz.

    Wollen wir unseren Werkstoff verformen (den Teppich verschieben), dann sollen sich die Versetzungen (Teppichfalten) natürlich ungehindert bewegen können. Hindernisse im Werkstoff (auf dem Teppich) wie zum Beispiel Ausscheidungen (Gegenstände auf dem Teppich) wären da extrem hinderlich. Aus diesem Grunde erwärmt der Schmied seinen Stahl vor dem Verformen auf weit über 1000°C. Dadurch werden Ausscheidungen aufgelöst und außerdem ändert sich die Kristallstruktur des Stahls derart, dass die Versetzungen sich besonders gut bewegen können – die Verformung also besonders einfach ist.

    Ist ein Metall weich und zäh bedeutet das, dass Versetzungen sehr gut beweglich sind. Hohe Festigkeit und Sprödigkeit hingegen erhält man, wenn sich Versetzungen schlecht oder nicht mehr bewegen. Wollen wir einen Werkstoff also „in Form bringen“, dann soll der Werkstoff weich sein. Die Versetzungen müssen sich einfach bewegen können. Ist er einmal in Form, dann darf sich diese üblicherweise nicht mehr ändern und der Werkstoff wird fest sein. Die Versetzungen sollen sich also nur noch schwer bewegen können.

    Bei Stahl erreichen wir das z.B. durch eine Wärmebehandlung – hier durch Vergüten. Durch die Wärmebehandlung sorgen wir dafür, dass unser Werkstoff fest wird (der Teppich sich schwer verschieben lässt), in dem wir die Beweglichkeit die Versetzungen (Teppichfalten) stark behindern. Dazu legen wir den Versetzungen ganz gezielt Hindernisse wie zum Beispiel Eisenkarbid-Ausscheidungen in den Weg (Gegenstände auf dem Teppich).

    Schmied und Wärmebehandler beschäftigen sich schon seit Jahrtausenden mit Versetzungen (ohne das früher gewusst zu haben). Der Unterschied: Der Schmied will Versetzungen ungehindert durch das Kristallgitter der Metalle treiben. Der Wärmbehandler will üblicherweise genau das Gegenteil – er will die Versetzungen behindern wo er kann.

     

    Wenn Sie mehr zum Thema „Versetzungen“ oder Stahl erfahren möchten, oder sich zu anderen Themen der Werkstofftechnik weiterbilden möchten, empfehlen wir einfach mal einen Blick auf die Kurse des W.S. TrainingCenters zu werfen. Dort finden Sie zu vielen interessanten Themen die passenden Kurse und Seminare, oder fragen Sie unsere TrainingCenter Ansprechpartner direkt.

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  • 13. Oktober 2011

    Was ist eigentlich … Vergüten von Stahl?

    Wir vergüten, um Stähle fest und zäh zu machen. Hohe Festigkeit bedeutet großer Widerstand gegen plastische Verformung. Hohe Zähigkeit bedeutet großer Widerstand gegen Risswachstum und Bruch und zwar weil der Stahl verformbar ist. Der Stahl soll sich also verformen und gleichzeitig soll er es nicht?
    Wie passt das zusammen?
     

    Stahl verformt sich durch die Bewegung von Versetzungen. Vergüten bedeutet, den Versetzungen ganz gezielt Hindernisse in den Weg zu legen, so dass ihre Beweglichkeit stark eingeschränkt (Festigkeit), aber nicht völlig unmöglich (Zähigkeit) ist. Wie machen wir das?

    Dazu müssen wir klären, wie Stahl eigentlich funktioniert. Stahl ist Eisen mit etwas Kohlenstoff. Das „Etwas“ ist aber entscheidend. „Normaler“ Stahl bei Raumtemperatur ist eine Kombination aus fast reinem Eisen (Ferrit), in dem sich Eisenkarbide (Zementit) ausgeschieden haben. Zementit-Ausscheidungen sind Eisen-Kohlenstoff-Verbindungen. Das Kristallgitter des Ferrits kann nur ganz wenige Kohlenstoffatome aufnehmen. Deshalb bildet sich Zementit, in dem all der Kohlenstoff gebunden wird, der nicht in den Ferrit „darf“. Die jeweilige Kombination von Ferrit und Zementit bestimmt die Werkstoffeigenschaften.

    In Stählen, die nicht wärmebehandelt wurden, bilden sich Strukturen, in denen relativ große Ferrit- und Zementitplatten abwechselnd gestapelt sind. Der weiche, gut verformbare Ferrit sorgt für Zähigkeit, die harten Karbide blockieren die Versetzungen und sorgen für Festigkeit. Viel besser (weil noch fester und zäher) wären aber viele kleine und runde Karbide statt weniger großer und plattenförmiger Karbide. Und genau das erreichen wir durch Vergüten.

    Dazu müssen wir zunächst die Zementit-Ausscheidungen auflösen und den dort gebundenen Kohlenstoff im Stahl verteilen. Wie aber geht das, wenn der Ferrit nur ganz wenig Kohlenstoff aufnehmen kann? Wir erwärmen den Stahl auf oberhalb 700°C. Bei dieser Temperatur bildet sich eine andere Kristallstruktur des Eisens, der Austenit. Austenit kann viel mehr Kohlenstoff aufnehmen als Ferrit. Wir können also Karbide problemlos auflösen, wenn die Temperatur hoch genug ist, um Austenit zu bilden – dieser Vorgang heißt Austenitisieren. Dann wird schnell abgekühlt – so schnell, dass der Kohlenstoff keine Zeit erhält, Karbide zu bilden. Wir „frieren“ den Kohlenstoff also praktisch in unserem Kristallgitter ein, das sich dadurch verspannt und fest aber auch extrem spröde wird. Diese Kristallstruktur nennen wir Martensit. Der Kühlprozess, der zum Martensit führt, heißt Härten.

    Sehr hohe Festigkeit haben wir nun. Fehlt noch Zähigkeit. Um die zu erreichen, erwärmen wir den Stahl auf ca. 500°C – das nennen wir Anlassen. Die Kohlenstoffatome werden dadurch wieder beweglich und machen nun das, was die Natur von Ihnen erwartet – Eisenkarbide bilden. Der Unterschied ist aber nun, dass wir durch die Wahl von Anlasstemperatur und Anlasszeit die Größe, Anzahl und Verteilung des sich bildenden Zementits steuern können. Nach dem Vergüten – also nach dem Austenitisieren, Härten und Anlassen – haben wir wieder eine Kombination aus fast reinem Eisen (der Martensit hat sich durch das Anlassen fast vollständig in Ferrit „rückverwandelt“) und Zementit. Der entscheidende Unterschied ist aber, dass die vielen kleinen, runden Karbide, die sich nun gebildet haben, zu einem Werkstoffzustand führen, der hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit ins sich vereint.

    Der ganze Vergütungsprozess lässt sich ein wenig mit der Kernsanierung eines Hauses vergleichen. Wenn uns die Funktion des Hauses nicht gefällt, dann beseitigen wir zunächst alle Wände in seinem Inneren. Wir bauen dann nach unseren Vorstellungen neue Wände aus den Ziegelsteinen der alten Wände. Je nach dem, wie und wie viele neue Wände wir setzten, fallend die neuen Eigenschaften des Hauses aus.
     

    Wenn Sie mehr zum Thema „Vergüten“ erfahren möchten, oder sich zu anderen Themen der Werkstofftechnik weiterbilden möchten, empfehlen wir einfach mal einen Blick auf die Kurse des W.S. TrainingCenters zu werfen. Dort finden Sie zu vielen interessanten Themen die passenden Kurse und Seminare, oder fragen Sie unsere TrainingCenter Ansprechpartner direkt.

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