Physiker erforscht die Ursachen des Lebens

11. November 2022

von Lawrence Livermore National Laboratory

„Dwell-Ermüdung“ ist ein Phänomen, das bei Titanlegierungen auftreten kann, wenn diese unter Spannung gehalten werden, beispielsweise bei der Lüfterscheibe eines Strahltriebwerks während des Starts. Dieser besondere Fehlermodus kann mikroskopisch kleine Risse verursachen, die die Lebensdauer einer Komponente drastisch verkürzen.

Es wurde angenommen, dass die am häufigsten verwendete Titanlegierung, Ti-6Al-4V, vor dem Zwischenfall mit Air-France-Flug 066 im Jahr 2017 keine Dauerermüdung aufwies, bei dem ein Airbus auf dem Weg von Paris nach Los Angeles über Grönland einen Lüfterscheibenausfall erlitt, der einen Notfall erzwang Landung. Die Analyse dieses Vorfalls und mehrerer neuerer Bedenken veranlasste die Federal Aviation Administration und die Flugsicherheitsagentur der Europäischen Union, die Arbeit in der gesamten Luft- und Raumfahrtindustrie zu koordinieren, um die Grundursachen für Ermüdung während des Aufenthalts zu ermitteln.

Experten zufolge verformen sich Metalle hauptsächlich durch Versetzungsschlupf – die Bewegung von Liniendefekten im darunter liegenden Kristallgitter. Forscher gehen davon aus, dass Dauerermüdung auftreten kann, wenn der Schlupf auf schmale Bänder beschränkt ist, anstatt gleichmäßiger in drei Dimensionen aufzutreten. Das Vorhandensein von intermetallischen Ti3Al-Ausscheidungen im Nanometerbereich fördert die Bandbildung, insbesondere wenn die Verarbeitungsbedingungen eine Anordnung über große Entfernungen ermöglichen.

Die Dinge werden heikel, wenn dieses Streifenverhalten in einer zusammenhängenden Gruppe „weicher“ orientierter Körner auftritt, die als „Makrozone“ bezeichnet wird, erklärten die Forscher. Die resultierende Verformungskonzentration, bei der das Band auf ein „hartes“ Korn außerhalb der Makrozone trifft, führt zu einer Spannungskonzentration, die den Rissprozess auslöst.

Erschwerend kommt hinzu, dass Versetzungsgleiten zeitweise in Ausbrüchen oder „Lawinen“ auftreten, ähnlich wie kleine Verwerfungsgleiten größere Erdbeben auslösen können. Das Ausmaß und die Häufigkeit dieser Gleitlawinen haben großen Einfluss auf die Auslösung der Dauerermüdung.

In einer aktuellen Studie eines multinationalen Teams, dem aktuelle und ehemalige Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) angehörten, verwendeten Forscher Synchrotron-Röntgenstrahlen, um diskrete Gleitlawinenereignisse in Titan zu verfolgen, das bei Raumtemperatur unter Last gehalten wurde.

Ein Team vom Imperial College London stellte Proben von speziell präpariertem Ti-7Al zur Verfügung, einer Legierung, die einen Ersatz für die Primärphase in Ti-6Al-4V darstellt. Die Populationen der Zwei-Punkt-Defekttypen wurden über die Proben hinweg moduliert: interstitieller Sauerstoffgehalt und die Menge an geordneten Ti3Al-Ausscheidungen.

Die in Nature Communications veröffentlichte Studie zeigt, dass dort, wo das Ti3Al eine Ordnung aufweist, die damit verbundenen Spannungsgrößen von Gleitlawinen schwerwiegender sind. Im Gegensatz dazu scheint eine Erhöhung der Menge an interstitiellem Sauerstoff die Schwere zu verringern und zu häufigeren kleineren Lawinen zu führen.

„Diese Arbeit bietet eine neuartige, mesoskalige Sicht auf die intermittierenden Verformungsereignisse (kleine „Ausbrüche“ von plastischem Schlupf), die der Dauerermüdung zugrunde liegen, insbesondere wie die Häufigkeit und das Ausmaß dieser Ereignisse vom Sauerstoffgehalt und der Legierung abhängen“, sagte Co-Autor und LLNL Physiker Joel Bernier. „Diese Daten können bei der Verarbeitung hilfreich sein, um Mikrostrukturen zu vermeiden, die einen schädlichen Einfluss auf die Widerstandsfähigkeit gegen Dauerermüdung haben.“

Bernier half bei der Durchführung hochenergetischer Röntgenbeugungsmikroskopie-Messungen an der Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) und führte die Datenreduktion mithilfe der vom LLNL entwickelten HEXRD-Softwarebibliothek durch. Das Team quantifizierte die Häufigkeit und das Ausmaß von Spannungsausbrüchen, die aus Gleitlawinen resultieren, und stellte fest, dass beide Arten von Punktdefekten ausgeprägte Auswirkungen auf den auf den Basisebenen des Kristallgitters auftretenden Schlupf hatten.

Die Forscher fanden heraus, dass dieser Verformungsmechanismus nach dem anfänglichen Nachgeben leichter zu aktivieren ist, einer Erweichung, die bekanntermaßen ein Vorbote für die Anhäufung von Schäden und das Versagen bei Dauerermüdung ist. Zu den wichtigsten Erkenntnissen gehörte: Eine höhere Konzentration an interstitiellem Sauerstoff verringerte die durchschnittliche Stärke der basalen Gleitlawinen, indem sie häufigere Ereignisse geringerer Stärke begünstigte.

Im Gegensatz dazu erhöhte die Vergrößerung der Größe geordneter Ti2Al-Ausscheidungen durch Alterung des Materials bei erhöhter Temperatur sowohl die Häufigkeit als auch die Stärke von Gleitlawinen und erhöhte damit die Wahrscheinlichkeit der Rissbildung. Nach Angaben des Teams können diese Erkenntnisse dazu beitragen, die Verarbeitung von Titanlegierungen hinsichtlich der Beständigkeit gegen Dauerermüdung zu optimieren.

Mehr Informationen: Felicity F. Worsnop et al., Der Einfluss der Legierung auf die Schlupfintermittenz und die Auswirkungen auf die Dauerermüdung in Titan, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-33437-z

Zeitschrifteninformationen:Naturkommunikation

Zur Verfügung gestellt vom Lawrence Livermore National Laboratory