Wissenschafter vom Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft der ÖAW führen Röntgenuntersuchungen zur Hitzebeständigkeit von beschichtetem Stahl an den Synchrotronstrahlungsquellen BESSY in Berlin und DESY/HASYLAB in Hamburg durch. Nur unerfahrenen Heimwerkern passiert es, dass sie sich nach getaner Arbeit am Bohrer die Finger verbrennen. Die Hitze, die durch die Reibung entstanden ist, setzt aber einem Bohrer selbst auch zu und verkürzt seine Haltbarkeit. Jozef Keckes vom Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft (ESI) der ÖAW untersucht die als thermische Ermüdung bezeichnete Beschädigung mittels Röntgenstrahlen an der Berliner Synchrotronstrahlungsquelle BESSY und am DESY/HASYLAB in Hamburg. Eine Chrom-Stickstoff-Beschichtung, wie sie Jozef Keckes untersucht, macht Stahlwerkzeuge beständiger. Allerdings reagieren Beschichtung und Substrat verschieden auf die erhöhte Temperatur, die beim Gebrauch des Werkzeugs auftritt. Die beiden Komponenten dehnen sich unterschiedlich aus und behindern einander dabei gegenseitig. Es treten Druck und Zugeigenspannungen auf, die die Haltbarkeit von Materialien beeinflussen. "Wir haben uns zum Ziel gesetzt, die beiden Materialkomponenten simultan zu untersuchen. Wir wollen besser verstehen, wie sich die Spannungsverhältnisse in der Beschichtung und im Substrat gegenseitig beeinflussen und bei extremer Belastung zu irreversiblen Verformungen führen", erklärt Jozef Keckes. Die beschichteten Proben werden von Kooperationspartnern hergestellt und am HASYLAB beziehungsweise am BESSY untersucht. Die Untersuchung erfolgt in-situ. Das bedeutet, dass die Eigenspannungen in der Schicht und im Substrat während des Heizvorganges gemessen werden. Temperaturwechsel - wiederholt, extrem, genau Für die Tests zur thermischen Ermüdung setzen die Leobener Wissenschafter die Stahlproben mithilfe von punktgenauen Laserpuls-Zyklen einem - bis zu 100 000 Mal wiederholten - Temperaturwechsel von 600 °C aus. "Schon nach 3000 Zyklen sieht man bei geringer Vergrößerung, dass die Oberfläche wellig wird. Der Effekt wird umso deutlicher, je öfter der Temperaturwechsel stattgefunden hat. Erstaunlicherweise blättert die Beschichtung dabei nicht ab", erzählt Jozef Keckes. Mithilfe der sehr leistungsstarken Röntgenstrahlung am BESSY und am HASYLAB ist es möglich, mehr ins Detail zu gehen: Die Beugungsmuster der Röntgenstrahlen lassen auf die Druck- und Zugeigenspannungen im Materialkomplex schließen. "Wir waren die ersten, die die Eigenspannung ausgehend vom Zentrum des lasererhitzten Spots dreidimensional charakterisieren konnten", freut sich der Materialwissenschafter. Die Ergebnisse zeigen, dass sich nach dem Erhitzen auf mehr als etwa 550 °C das Substrat und die Beschichtung unterschiedlich verhalten: Im Substrat nimmt die günstigere Druckeigenspannung ab, in der Chrom-Stickstoff-Beschichtung bleibt sie erhalten. Untersuchungen dieser Art sind eine wichtige Voraussetzung für die Wahl der richtigen Materialien für Spezialwerkzeuge. Publikation: Residual stresses in thermally cycled CrN coatings on steel. Thin Solid Films (2008) doi:10.1016/j.tsf.2008.06.008 BESSY HASYLAB Kontakt: Dr. Jozef Keckes Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft Österreichische Akademie der Wissenschaften 8700 Leoben, Jahnstraße 12 T +43 3842 804 301 jozef.keckes@mu-leoben.at http://www.oeaw.ac.at/esi Oktober 2008
		Die Geheimnisse der starken Kraft