Härteprüfung in der „heißen Zelle“

Das Forschungszentrum Karlsruhe (www.fzk.de) ist eines der größten natur- und ingenieurwissenschaftlichen Forschungseinrichtungen in Europa und wird von der Bundesrepublik Deutschland und dem Land Baden-Württemberg gemeinsam getragen. Sein Forschungs- und Entwicklungsprogramm ist in die übergeordnete Programmstruktur der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren eingebettet und konzentriert sich auf die fünf Forschungsbereiche Struktur der Materie, Erde und Umwelt, Gesundheit, Energie sowie Schlüsseltechnologien.

Das Nukleare Programm zur Kernfusion bündelt die Aktivitäten des Forschungszentrums Karlsruhe zur Entwicklung von Technologien für einen Fusionsreaktor. Diese Programm, vertraglich vereinbart durch die europäische EURATOM Organisation und dem Forschungszentrum Karlsruhe, wird im Rahmen des „European Fusion Development Agreements“ durchgeführt. Mit der Fusionsenergie verbindet sich der Wunsch, eine sichere und umweltverträgliche Energiequelle bereitzustellen, die für die nächsten Jahrhunderte wesentlich zur Deckung des Elektrizitätsbedarfs der Menschheit beiträgt.

Das Institut für Materialforschung (www.fzk.de/imf) ist an der Entwicklung und Qualifizierung von Werkstoffen unter Einfluss von hochenergetisch geladenem Plasma ausgesetzten Komponenten der DEMO Anlage sowie der tragenden Struktur der entsprechenden Komponenten beteiligt. Ziel der Entwicklungen sind leistungsstarke Werkstoffe, die hohe Einsatztemperaturen und Kühlmitteldrucke unter der Einwirkung von hochenergischen Neutronen erlauben. Zusätzlich sollen die Werkstoffe eine niedrige Aktivität unter Neutroneneinfluss vorzeigen, damit die Umweltfreundlichkeit und Attraktivität von Fusionsreaktoren erhalten bleibt.

Spezielle strukturelle Werkstoffe wie EUROFER 97 für kommerzielle Fusionsreaktoren mit einer erwarteten Lebensdauer von etwa 30 Jahren, müssen höhere Einsatztemperaturen and Kühlmitteldrucke erlauben und sollten auch hohen Neutroneneinflüssen standhalten, die Materialschäden wie Verhärtung, Versprödung, dimensionale Instabilität, etc. verursachen.

Zusätzlich zu den normativen Prüfungen untersucht das Forschungszentrum Karlsruhe das Konzept der Charakterisierung von bestrahltem Material durch die Instrumentierte Eindringprüfung. Zu diesem Zweck wird ein modulares Härteprüfsystem, Typ ZHU0.2/Z2.5 von Zwick Roell (www.zwick.com) eingesetzt, das die Wissenschaftler bei der Untersuchung der Materialeigenschaften nach der Bestrahlung und der Auswirkungen der Bestrahlungs-Schadmechanismen zu unterstützen. Zwick war der einzige Hersteller, der eine Lösung für diese einzigartige Anwendung anbieten konnte.

Die universale Härteprüfmaschine ZHU0.2/Z2.5 hat einen Kraftbereich von 2 bis 200N und eine Verdrängungs-Messgenauigkeit von 0,02µm. Das System ist mit einem vollautomatischen X/Y-Tisch ausgestattet sowie mit einem Rockwell- und einem Vickers Eindringkörper. Der Eindruck kann durch ein Mikroskop betrachtet werden, das mit einer CCD-Kamera ausgerüstet ist.

Die ZHU0.2/Z2.5 Härteprüfmaschine wurde in einer gasfesten „heißen Zelle“ mit 200 mm / 500 mm Bleiglasschutz installiert. Sie führt mehrstufige Eindringprüfungen (Last / ohne Last) mit verschiedenen Haltezeiten aus. Neurale Netzwerke bewerten die Korrelation zwischen diesen Prüfdaten und den Parametern eines viskoplastischen Werkstoffmodels, die normalerweise aus Zugprüfungen gewonnen werden.

Die einzigartige Funktionsweise des Eindringprüfgeräts ermöglicht hochgenaue Lastzyklen bis zu unterschiedlichen Kräften und Verdrängungen mit vorgegebenen Haltezeiten bei jedem Zyklus. testXpert® , die Prüfsoftwareplattform von Zwick für Werkstoffprüfungen, wird zur Steuerung des Geräts und zur Ermittlung der synchronisierten Kraft- und Eindringungsdaten verwendet. Diese Daten werden dann in einem speziellen Format gespeichert und an ein übergeordnetes neuronales Netzwerk übertragen, um die Materialeigenschaften wie Young’s Modulus, Eindringweg, Zugfestigkeit sowie weitere Verfestigungskoeffizienten zu bestimmen.