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Neues Verfahren entwickelt: Korrosionsmessung von Nanostrukturen unter einsatznahen Bedingungen

24.07.2007 - (idw) Universität des Saarlandes

Zur realitätsnahen Durchführung von Härtetests an Werkstoffen hat die Arbeitsgruppe um die Saarbrücker Werkstoffwissenschaftler Prof. Horst Vehoff und Dipl.-Ing. Afrooz Barnoush ein weltweit einzigartiges in-situ-Verfahren entwickelt: Dabei werden die zu messenden Materialien mit festigkeitsreduzierendem Wasserstoff "beladen". Anschließend werden die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes mit einem so genannten Nanoindenter im Mikro- und Nanobereich gemessen. Die neue Methode erlaubt die direkte Optimierung von Werkstoffen auf der Mikro- und Nanoebene unter korrosiver Meerwasserumgebung, versprödender Wasserstoffatmosphäre oder unter dem Einfluss aggressiver Säuren. Mögliche Anwendungen sind die Offshore-Technik, die Wasserstoffenergiewirtschaft oder die chemische Industrie. Mit dem neuen Verfahren ist es erstmalig möglich, den Einfluss von Wasserstoff und Korrosionsprozessen auf lokale mechanische Eigenschaften von Werkstoffen direkt zu untersuchen. Denn: Ein Werkstoff kann nur bis zu einer bestimmten Kraft elastisch, also ohne Schädigung, belastet werden - und dieser Wert ändert sich in einer wasserstoffhaltigen Umgebung. Da Wasserstoff in Zukunft als potenzieller Energieträger eine größere Rolle spielen wird, ist das neue Verfahren zur Korrosionsmessung ein zukunftsträchtiges Forschungsgebiet.

Die von den Saarbrücker Forschern entwickelte "Fluid cell" wird in einen so genannten Nanoindenter (Nano-Härte-Messgerät) integriert. Dieses Großgerät wurde am Lehrstuhl neu angeschafft und mit Mitteln aus dem Hochschulbauförderungsgesetz finanziert. Mit dem Nanoindenter können die physikalischen Mechanismen des Versagens von Werkstoffen auf einer feinen Skala genau untersucht werden. Entscheidend für die makroskopischen Eigenschaften der Werkstoffe, wie Korrosionsbeständigkeit und Widerstand gegen wechselnde Belastungen, ist deren Mikro- bzw. Nanostruktur. Um diese zu identifizieren, besitzt der Nanoindenter eine feinste Diamantspitze, deren Radius 50 nm (1 nm = 1 Millionstel Millimeter) beträgt. Diese Spitze wird in die Werkstoffoberfläche gedrückt und dabei die Kraft als Funktion der Eindringtiefe der Spitze in den Werkstoff gemessen. Aus der maximalen Eindringtiefe kann unter anderem die Härte eines Werkstoffes bestimmt werden.

Das Besondere dabei ist, dass die zu prüfenden Bereiche des Werkstoffes nur wenige 100 nm groß sein müssen und gezielt ausgewählt werden können. Dadurch ist es möglich, einzelne Phasen und Bestandteile, aus denen sich moderne Werkstoffe zusammensetzen, zu prüfen und die Einzeldaten mit den resultierenden makroskopischen Eigenschaften zu vergleichen. Somit können durch eine gezielte Variation der einzelnen Phasen und Strukturgrößen die makroskopischen Eigenschaften von Werkstoffen optimiert werden. Die Kombination dieser Technik mit der neuen in-situ Methode erlaubt jetzt die direkte Optimierung der Werkstoffe auf der Mikro- und Nanoebene unter korrosiver Meerwasserumgebung, versprödender Wasserstoffatmosphäre oder unter dem Einfluss aggressiver Säuren für Anwendungen in der Offshore-Technik, der Wasserstoffenergiewirtschaft oder der chemischen Industrie.

Der neue Nanoindenter am Lehrstuhl Werkstoffwissenschaft und Methodik dient nicht nur hochkarätiger Forschung, hier werden auch die angehenden Ingenieure ausgebildet. Bereits in diesem und im vergangenen Jahr wurden zwei Absolventen des Instituts für ihre herausragenden Diplomarbeiten ausgezeichnet: Dipl.-Ing. Wolfgang Schäf 2006 mit dem Nachwuchspreis des VDI-Saar für die beste Diplomarbeit 2005 und Dipl.-Ing. Thomas Waschkies 2007 mit dem deutschlandweit ausgeschriebenen Preis der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde (DGM) für die beste Diplomarbeit im Jahre 2006.


Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert mehrere Forschungsprojekte des Lehrstuhls zu den lokalen Messungen der Versagensmechanismen von Werkstoffen. Zusammen mit den Mitteln für den Nanoindenter beläuft sich die am Institut im Themenbereich "Nanotechnologie" investierte Gesamtsumme auf nahezu eine Million Euro.

Kontakt:
Prof. Dr. Horst Vehoff
Werkstoffwissenschaften und Methodik
Tel. (0681) 302-5108
E-Mail: vehoff@matsci.uni-sb.de

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