Materialforschung mit Positronen: Von der Doppler-Spektroskopie zur

Im Folgenden werden einige Anwendungsbeispiele zur Abbildung der plastischen Zone mit
der BPM gezeigt. Als die erste "bildgebende", d.h. zweidimensionale Messung mit Positronen
wurde 1998 die plastische Zone vor einem Ermüdungsriß im austenitischen Stahl ASI 321
vermessen [364]. Der Riß wurde in einer miniaturisierten CT-Geometrie mit Abmaßen von
17 × 18 mm 2 und einer Dicke von 1.8 mm erzeugt.
max max
Es wurde eine sinusförmige symmetrische Steueramplitude von ±50 µm (R = 1: )
unter Dehnungskontrolle bei einer Frequenz von 1 Hz verwendet. Da die herkömmliche hydraulische
Wechselverformungsmaschinen derartig kleine Hübe im Allgemeinen nicht fahren
können, kam eine piezogetriebene Wechselverformungsmaschine [99] zum Einsatz. Der
Spannungsintensitätsbereich kann aus der Geometrie und dem Hub auf K = 50 MPa√m abgeschätzt
werden. Vor der Ermüdung wurde die Probe thermisch ausgeheilt (3h bei 1000°C
im Hochvakuum) und nach der Rißerzeugung keiner weiteren Behandlung unterzogen, um eine
Oberflächenschädigung durch Schleifen zu vermeiden. Abbildung 4.17 zeigt die Verteilung
des S-Parameters in einer Höhenprofil-Darstellung vor der Rißspitze. Der Strahldurchmesser
wurde auf 20 µm bei einem Bildraster
von 150 µm × 150 µm eingestellt. Jedem
Bildpunkt entspricht eine Anzahl von
~3 × 10 5 Ereignissen im Annihilationspeak.
Direkt an der Rißspitze und an den Rändern
des Risses ist ein Anstieg des S-Parameters
um knapp 10 % zu beobachten, der mit zunehmender
Entfernung zur Rißspitze kontinuierlich
zum Wert des ausgeheilten Stahls
hin abnimmt. Unter dem Elektronenmikroskop
erscheint die plastische Zone deutlich
kleiner. Durch die Ermüdung bedingte Veränderungen
(z.B. Gleitlinien) sind nur in der
Nähe der Rißspitze sichtbar. Die Grenze, innerhalb
derer diese Veränderungen noch im
SEM-Bild zu erkennen sind, liegt bei einem
S-Parameter oberhalb von ~1.06 (siehe
blaue Linie in Abbildung 4.17 (a)). Diese erste
Messung mit der BPM belegt die enorme
Empfindlichkeit der ortsaufgelösten Positronenspektroskopie
für die Abbildung plastischer
Zonen bei der Untersuchung der Materialermüdung.
Als weiteres Beispiel zeigt Abbildung 4.19
die plastische Zone in der Titan-Legierung
TiAl6V4, erzeugt im Umlauf-Biege-Versuch.
Der relative S-Parameter ist farbkodiert
dargestellt [256]. Bei einem Umlauf-
Biege-Versuch (siehe Abbildung 4.18) wird
eine rotationssymmetrische Probe auf der
einen Seite in einem Lager fest eingespannt
und auf der anderen Seite an einem Loslager
92
rel. Spannung [a.u.]
Festlager
Loslager
Last
Zug
Position in der Kehle [a.u.]
Druck
Abbildung 4.18: Skizze zum Umlaufbiegeversuch:
Eine rotationssymmetrische, in der Mitte ausgekehlte
Probe wird einseitig in einem Festlager eingespannt
und auf der anderen Seite an einem Loslager
belastet. Die Kurve oben zeigt den relativen
Verlauf der Spannung (Zug und Druck) an der Probenoberfläche
in der Auskehlung.