Mechanische Spektroskopie

Mechanische Spektroskopie

Bei der mechanischen Spektroskopie wird an Festkörpern eine äußere mechanische Spannung angelegt und ihr Dehnungsverhalten beobachtet. Aus dem Dehnungsverhalten lassen sich Rückschlüsse auf mikroskopische, strukturelle Vorgänge in den Festkörper ziehen. Inbesondere lassen sich die Dynamik von Gitterdefekten (z.B. Korngrenzen, Versetzungen, Fremdatome) oder Phasenübergänge als Ursache zuordnen. Die mechanische Spektroskopie stellt so eine Methode zur Bestimmung der Parameter dieser mikroskopischen Vorgänge bzw. zur Überprüfung der Modellvorstellungen dar.

Makroskopisches Verhalten

Strain behavior of a standard solid sample at temporary influence of external mechanical stress.
Dehnungverhalten eines Standardfestkörpers bei zeitweisem Anlegen einer konstanten Spannung. Der Festkörper zeigt instantante elastische und zeitlich verzögerte anelastische Dehnung. Kriechen zeigt der dargestellten Fall nicht.

Wird an einen Festkörper eine zeitlich konstante mechanische Spannung angelegt, so beobachtet man eine instantane elastische Dehnung, die bei genügend kleiner Spannung dem Hookeschen Gesetz gehorcht.

Zusätzlich kann man eine zeitabhängige Zusatzdehnung beobachten. Diese kann gegen einen Maximalwert streben (anelastische Zusatzdehnung, elastische Nachwirkung, vergleiche Bild) oder kontinuierlich mit der Zeit zunehmen und bis zum Bruch führen (Kriechen). Liegt keine Spannung mehr an, so zieht sich der Festkörper instantan um den Wert der elastischen Dehnung zusammen; zeitlich nach folgt der Rückgang der anelastischen Zusatzdehnung, die also voll reversibel ist. Kriechen ist in diesem Sinne nicht reversibel. (Anmerkung: In der Werkstoffkunde wird das hier beschriebene Verhalten in der Regel zum Kriechen gezählt)

Mikroskopische Erklärung

The behavior of interstitiell atoms caused by appling and removing of an external mechanical stress as discribed above.
Verhalten der Zwischengitteratome bei Anlegen bzw. Wegfall einer äußeren mechanischen Spannung.

Die Ursache für eine anelastische Zusatzdehnung sind Phasenübergänge oder Gleiten bzw. Diffundieren von Gitterdefekten. Am Beispiel der Diffusion von interstitiellen Fremdatomen läßt sich dies einfach verstehen: Im ungedehnen Festkörper besetzen die Fremdatome Zwischengitterplätze. Welche Plätze mit welcher Wahrscheinlichkeit besetzt werden, hängt u.a. von der Temperatur und der Konzentration der Fremdatome ab (zur Berechnung berücksichtigt man die Entropie der Atomkonfiguration und die (elastische) Energie, die ein Fremdatom an einem Zwischengitterplatz hat).

Wird das Gitter durch eine äußere Spannung gedehnt, so ändern sich die Abstände der einzelnen Wirtsatome und damit die Energie für bestimmte Zwischengitterplätze. Anschaulich gesprochen gibt es jetzt an einigen Zwischengitterplätzen mehr Platz als an anderen. Daher besetzen die Fremdatome nun bevorzugt solche Plätz mit mehr Platz (geringerer Energie), dehnen aber dadurch das Gitter noch zusätzlich. Dies ist als makroskopische Zusatzdehnung zu beobachten.

Die Umorientierung der Fremdatome und damit die Zusatzdehnung geschieht nicht instantan, da Atome zum Platzwechsel eine Energiebarriere überwinden müssen. Die Energie zu diesem Sprung erhalten sie aus ihrer thermischen Energie. Daher ist die mittlere Sprungzeit von der Barriereenergie (Aktivierungsenergie) und der Temperatur abhängig.

Meßmethoden

Bei quasistatischen Messungen mit zeitlich konstanter Spannung lassen sich die mittlere Sprungzeit und die Aktivierungsenergie bestimmen und Modelle für Sprungwege überprüfen.

Ist aber die mittlere Sprungzeit zu kurz, um statisch gut gemessen zu werden, kann man auch dynamische Messungen mit harmonisch oszillierender Spannung durchführen. Die zeitliche Verzögerung der Sprünge führt zu einer Phasenverschiebung zwischen Spannung und Dehnung, die makroskopisch als Dämpfung meßbar ist (innere Reibung). Diese kann man für verschiedene Frequenzen und Temperaturen ermitteln und hieraus Sprungzeit und Aktivierungsenergie bestimmen sowie das Sprungmodell überprüfen.

Zur Durchführung der Messungen verwendet man in der Regel lamellenförmige Proben. Diese werden an einem Ende eingespannt und entweder gebogen oder zu Biege- oder Torsionsschwingungen angeregt. Alternativ kann die schwingende Probe auch an mehreren Stellen, die an Schwingungsknoten liegen müssen, gelagert sein.