Positronenspektroskopie an Ermüdungsrissen und Spanwurzeln

Abstract

Seit den 60er Jahren des vorigen Jahrhunderts werden Positronen zur Untersuchung von Festkörpern eingesetzt. Die Zerstrahlungsparameter von Positron und Elektron sind dabei sensitiv auf Art und Konzentration von Gitterdefekten im Material. Mit der Bonner Positronenmikrosonde (BPM) ist es seit 1997 erstmalig möglich, Proben mit langsamen Positronen ortsaufgelöst im Mikrometerbereich zu untersuchen. Aufbau und Funktionsweise der BPM werden ausführlich beschrieben. <br /> Die Präparation der Proben zur Untersuchung mit langsamen Positronen fordert eine größere Sorgfalt als sonst in der Metallographie üblich. Insbesondere wird durch Schleifen und Polieren, aber auch durch chemische oder elektrochemische Oberflächenbehandlung die Probenstruktur verändert. Ebenfalls zeigt sich ein exponentieller Abfall des S-Parameters mit einer Zeitkonstante in Stundenbereich an frisch deformierten Reinst-Metallen bei Raumtemperatur. Bleiben diese Effekt unberücksichtigt, kann es zu signifikanten Fehlern bei der Messung mit Positronen kommen. Im weiteren wird eine Standard Präparationsmethode vorgestellt, die zu einem reproduzierbaren Ausgangszustand führt. <br /> An Ermüdungsrissen in verschiedenen metallischen Proben in CT-Geometrie (Compact Tension) sowie an Anrissen in ermüdeten Umlaufbiege-Proben wurde die erhöhte Fehlstellendichte in der plastischen Zone analysiert. Dabei konnte die plastische Zone durch Messung des S-Parameters abgebildet werden. Wegen der hohen Empfindlichkeit der Positronen für Gitterfehler konnten dabei auch die schwach deformierten Bereiche am Rand der plastischen Zone erfaßt werden. Damit ist es erstmals gelungen, die plastische Zone in der gesamten Ausdehnung des verfestigten Bereichs abzubilden. <br /> Die Prozesse bei der Zerspanung mit hohen Schnittgeschwindigkeiten sind ein bis heute nicht komplett verstandenes Gebiet. Insbesondere sind die Verformungsvorgänge und der Temperatureinfluß in den Scherzonen bei der Spanbildung bisher nicht aufgeklärt. Durch bildgebende Messung des S-Parameters an Spanwurzeln aus der Hochgeschwindigkeitszerspanung im Modellwerkstoff C45E gelang es erstmals, die Verformungs- und Scherzonen direkt abzubilden. Aus den 2 dimensionalen Abbildungen der Spanwurzeln konnte der Einfluß der Prozeßparameter Schnittgeschwindigkeit und Schnittiefe auf die Schädigung in der Randzone untersucht werden. Es zeigt sich, daß die Schädigungstiefe in der Randzone unabhängig von der Schnittgeschwindigkeit ist, jedoch mit zunehmender Schnittiefe ansteigt.