Schallwellen prüfen Stahlträger auf Materialfehler

Ohne jeden Kontakt oder Probennahme untersuchten die Wissenschaftler der University of Osaka einen 14 Millimeter starken Stahlträger. Mit mehreren Spulen generierten sie um den Träger ein oszillierendes Magnetfeld. Darauf setzten sie das Stahlstück einer Dehnungsbelastung von bis zu 490 Megapascal aus und schickten parallel Schallwellen durch das Material. Je stärker diese Schallwellen von dem Stahl verschluckt wurden, auf desto mehr winzige Fehlstellen im Material konnten die Forscher schließen ? ein wichtiger Parameter für die Ermüdung von Stahl.

Die Ursache für dieses Verhalten liegt darin, dass sich die Schallwellen direkt auf die Oszillationen des Magnetfelds auswirkten. Die Folge war ein messbares elektrisches Signal in den Spulen, dass angibt, wie gut das Material die Schallwellen absorbiert. Nach einer längeren Belastung des Trägers zeigten sich deutliche Einbrüche in diesem Absorptions-Signal.

Die Ursache fanden die Physiker um Hirotsugu Ogi in einer zunehmenden Zahl von Fehlstellen innerhalb des Stahlträgers, nachdem sie das Material genauer mit einem Rastertunnelmikroskop untersucht hatten. Durch diese Fehlstellen wurde die harmonische Ausbreitung der Schallwelle im Stahl mehr und mehr gestört, so dass sie schneller an Intensität verlor. Auch nach diesem Signaleinbruch belasteten die Wissenschaftler den Stahlträger gleichmäßig weiter, worauf er nach relativ kurzer Zeit, aber genau definierbarer Zeit brach.

Eine genauere Analyse dieser reproduzierbaren Vorgänge zeigte, dass die deutlichen Einbußen im Vergleichsignal, das heißt der Anstieg der Schallabsorption, nach gut Dreiviertel bis maximal 85 Prozent der gesamten Haltbarkeitsdauer des Stahlträgers auftraten. In vielen Messreihen erkannten die Wissenschaftler zudem, dass diese Ermüdungsanzeichen vollkommen unabhängig von der Art des Stahls und von der Stärke der Belastung waren.

Aufgrund dieser Ergebnisse könnte nun ein effektives Frühwarnsystem für beliebige Stahlkonstruktionen erstellt werden. Zeigen Stähle unter Belastung nun diese Einbrüche bei der Schallabsorption, ist es ratsam, die entsprechenden Bauteile auszutauschen. Ogi und Kollegen glauben auch, dass ihre Technik für einen weiten Bereich vergleichbarer Materialien erweiterbar sei, da sich in Festkörpern das Prinzip der Schallausbreitung sehr ähnele.