Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005

LösungenL28: Ortsaufgelöste Röntgenuntersuchung vor RissspitzenL28: Ortsaufgelöste RöntgenstreuungsuntersuchungvorRissspitzen in PE-RohrwerkstoffenBei Rohrwerkstoffen ist die durch mechanischeEnergie eingebrachte Schädigung von großem industriellemund volkswirtschaftlichem Interesse.Risse können eine Gefährdung der Bevölkerunghervorrufen (Gasleitungen), zu hohen Schädenan der Bausubstanz führen (Wasserleitungen)und sind in jedem Fall in der Reparatur sehr teuer(Grabungsarbeiten usw.). Um Informationen überSchädigungen und strukturelle Änderungen vor dermakroskopischen Rissspitze in Poly(ethylen)-Rohrwerkstoffenzu erhalten, wird die Methode der ortsaufgelöstenRöntgenkleinwinkelstreuung (ScanningSAXS) verwendet. Diese Methode ermöglicht es,Strukturinformationen mit der exakten Position aufeinem Probenkörper zu kombinieren. Dazu wirdeine Kombination aus einer abbildenden Methode(Radiographie) und der eigentlichen Messung derStreubilder verwendet. Die Abbildung mit Hilfe derRadiographie basiert auf der Messung der Transmissionder Probe, ähnlich einem Röntgenbild.Die Auflösung des Bildes beträgt 100 Pixel /mm 2 .Veränderungen in der Probendicke, hervorgerufenAbbildung 1:Mikroskopische Aufnahme eines Rissesin PE und ein Teil der Radiographie.Diese zeigt den Bereich vor der makroskopischenRissspitze, wobei kräftigereFarben für weniger Material stehen.durch Einschnürungen, Hohlräume oder Ähnlicheskönnen damit lokalisiert werden. Diese Informationwird dann genutzt, um die eigentliche Bestimmungder Struktur des Materials vorzunehmen bzw. dieMesspositionen festzulegen. In Abb. 1 ist dies aneinem Beispiel dargestellt.In polymeren Werkstoffen sind grundsätzlichzwei Deformationsmechanismen vorherrschend,einerseits das sogenannte Scherfließen und andererseitsder Prozess über Hohlraumbildung und dassogenannte Crazing. Crazes sind Hohlräume, dievon dünnen Polymerfasern (Fibrillen) überspanntsind. Mit der Scanning-SAXS-Methode kann mannun feststellen, ob der eine oder der andere Mechanismusvorherrschend ist, und die Größe desplastischen Bereiches bestimmen. Im Beispielder PE-Rohre ist immer der Scher-Mechanismusüber die Hohlraumbildung vorherrschend. DieseHohlräume sind elongiert und orientiert. Die Craze–Fibrillensind ebenfalls stark orientiert und habeneine im Vergleich zum Bulk-Material veränderteNanostruktur. Orientierungen können bestimmtwerden, was unter anderem zu einem besserenVerständnis des Kräfteverlaufs im Bereich einerRissspitze führt. Abb. 2a zeigt die Orientierung derRisse bzw. Fasern, Abb. 2b die Änderungen in derLamellenmorphologie des Polymers.186Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005