Ein Forschungsteam des National Institute for Materials Science (NIMS) hat den Mechanismus identifiziert, durch den mikroskopisch kleine Ermüdungsrisse in Metallen wachsen, und damit ein 50 Jahre altes Rätsel gelöst. Das Team fand durch dreidimensionale Bildgebung von großvolumigen Proben heraus, dass diese Risse entlang der Gleitebenen von Metallkristallen wachsen. Es wurde festgestellt, dass die meisten Risse durch eine Scherkraft verursacht wurden und nicht durch Zugkräfte, die zuvor für verantwortlich gehalten wurden.
Metalle erleiden einen Ermüdungsbruch, nachdem sie wiederholt äußeren Kräften ausgesetzt wurden. Da diese Art von Bruch eine Hauptursache für Maschinenausfälle ist, ist es wichtig, ihre Mechanismen durch Forschung zu verstehen. Mikroskopisch kleine Risse beginnen und wachsen in ermüdeten Metallen, bevor sie schließlich brechen. Die Risswachstumsmechanismen in den frühen und späten Ermüdungslebensphasen (dh wenn Risse groß geworden sind) wurden vor mehr als fünf Jahrzehnten identifiziert. Die Mechanismen, durch die mikroskopisch kleine Risse während der mittleren Ermüdungsstufe wachsen, waren jedoch unklar, obwohl dies den Großteil der Ermüdungslebensdauer ausmacht. Ein Grund war die Schwierigkeit, Risse von etwa 200 µm Länge zu beobachten.
Dieses Forschungsteam hat vor kurzem eine elektronenmikroskopbasierte Analysetechnik entwickelt, die in der Lage ist, eine hochaufgelöste, dreidimensionale kristallographische Abbildung einer großvolumigen metallischen Probe (100-mal größer als das mit herkömmlichen Methoden beobachtbare Volumen) zu ermöglichen. Damit konnten erstmals Ermüdungsrisse von ca. 200 μm Länge dreidimensional mit hoher Auflösung abgebildet werden. Dies wurde erreicht, indem die Technik auf eine hitzebeständige Superlegierung angewendet wurde, die für den Einsatz in Flugzeugtriebwerken entwickelt wurde. Das Team analysierte dieses Bild über die große Probe hinweg und bestimmte quantitativ die Beziehung zwischen Risswachstumspfaden und kristallinen Orientierungen, was zur Entdeckung eines Risswachstumsmechanismus führte, der sich von dem herkömmlich angenommenen Mechanismus unterscheidet.
Das Ermüdungslebensmanagement und die Vorhersage metallischer Materialien wurden basierend auf bekannten Ermüdungsbruchmechanismen durchgeführt. Ein detaillierteres Verständnis dieser Mechanismen würde die Genauigkeit solcher Vorhersagen erhöhen – besonders wichtig für die Entwicklung und den praktischen Einsatz von sichereren Flugzeugmaterialien. Die Ergebnisse dieser Forschung können dazu beitragen, die Zuverlässigkeit von in Japan hergestellten Legierungen zu verbessern und ihre praktische Verwendung zu fördern.
Diese Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Scripta Materialia.
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Hideaki Nishikawa et al, Dreidimensionale hochauflösende kristallographische Beobachtung des gesamten Volumens von mikrostrukturell kleinen Ermüdungsrissen in Superlegierungen auf Ni-Co-Basis, Scripta Materialia (2022). DOI: 10.1016/j.scriptamat.2022.115026