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Technische Universität München

Eigenspannungsbestimmung mit Neutronen

Durch Diffraktion ermittelte transversale Dehnungsverteilung in einer Eisenbahnschiene (rot = Zuspannung, blau = Druck). Die “x” deuten die Messposition an. Messauflösung: 2×2×2 mm3. © FRM II/ TUM

Anwendungen:

  • Geeignete Technik zur quantitativen Bestimmung der Eigendehnungen und –spannungen (ES) in Bauteilen und Komponenten

Materialien: Metalle, Legierungen, Keramiken, auch mehrphasige Systeme (Materialien müssen kristallin oder polykristallin sein)

Signal und physikalisches Prinzip: Neutronen werden am Atomgitter gestreut (Diffraktion) und das Beugungssignal als Funktion des Streuwinkels detektiert. Hieraus lässt sich der Atomabstand bestimmen, der als “innerer Dehnungssensor” fungiert.

 

Kontakt: Dr. Michael Hofmann, Dr. Jan Manuel Hinterstein, Dr. Marc Thiry, Prof. Dr. Rainer Schneider

 

 

Funktionsprinzip der Dehnungsmessung mittels Diffraktion. Der Gitternetzebenenabstand d kann aus dem Beugungswinkel Θ bestimmt werden. Rechts ist die Verschiebung des Beugungs-winkel des Messsignals als Funktion der Spannung gezeigt. © FRM II/ TUM

Messdauer: Minuten bis zu einigen Stunden

Wellenlänge der Neutronenstrahlung: Einstellbar von 1.0 - 2.4 Å (monochromatisch)

Maximale Probenabmessung und -gewicht: Bis 300 kg, bis ø = 800 mm

Messvolumen/-auflösung: Bis hinunter zu 0,5 mm3  (einstellbar durch Blenden)

Messtiefe: In Stahl bis 35 mm, in Aluminium bis 100 mm

In vielen technischen Bauteilen und Werkstücken sind innere Spannungen (Eigenspannungen) vorhanden, die ganz entscheidend die Lebensdauer eines Bauteils beeinflussen. Mittels Neutronenbeugung (Diffraktion) kann man diese Eigenspannungen zerstörungsfrei bis in große Tiefen des Bauteils bestimmen (z.B. bis zu 100 mm in Aluminium). Dabei bedient man sich der Tatsache, dass viele technischen Materialien wie Metalle und Legierungen in polykristallinem Zustand vorliegen, in dem die Atome feste Gitterplätze einnehmen. Die Neutronen werden am Atomgitter gestreut und die Gitternetzebenenabstände können mit großer Genauigkeit aus dem Beugungswinkel der detektierten Neutronenstrahlung bestimmt werden. Aus der Kenntnis der Gitterdehnung bzw. -stauchung können dann in Verbindung mit materialspezifischen Konstanten Spannungszustände nach Richtung und Vorzeichen berechnet werden. Durch Benutzung von fein justierbaren Blenden vor und hinter der Probe kann man ein Bauteil mit einer Ortsauflösung bis hinunter zu 0.5 mm3 ab rastern und so die  Eigenspannungsverteilung quantitativ ermitteln.

Aufgrund der hohen Eindringtiefe der Neutronen sind keine Oberflächenbearbeitung der Proben notwendig. Zudem können auch Bauteile und Materialproben auch mittels verschiedener Probenumgebungen auch in-situ z.B. unter Zug/Druckbelastung (bis 100 kN) und/oder Temperatureinfluss (bis 1300° C)  untersucht werden.

Eigenspannungsbestimmung mit mobilem Diffraktometer (XRD)

Automatisierte Messung von Eigenspannungen (auch Eigenspannungsmappings) mittels Messroboter. © Fraunhofer IWM, Freiburg

Anwendungen:

  • Geeignete Technik zur quantitativen Bestimmung der Eigendehnungen und –spannungen (ES) in Bauteilen und Komponenten. Das mobile Diffraktometer erlaubt den Einsatz in nahezu jeder Umgebung. Im Labor können mit einem Roboterarm Mappings realisiert werden.

Materialien: Metalle, Legierungen, Keramiken, auch mehrphasige Systeme (Materialien müssen kristallin oder polykristallin sein)

Signal und physikalisches Prinzip: Röntgenstrahlen werden am Atomgitter gestreut (Diffraktion) und das Beugungssignal als Funktion des Streuwinkels detektiert. Hieraus lässt sich der Atomabstand bestimmen, der als “innerer Dehnungssensor” fungiert.

 

Kontakt: Dr. Jan Manuel Hinterstein, Dr. Michael Hofmann, Dr. Marc Thiry, Prof. Dr. Rainer Schneider

 

Beispiel für ein Mapping der Eigenspannungen an einer Stahlprobe. © Fraunhofer IWM, Freiburg

Messdauer: Sekunden bis zu einigen Minuten

Wellenlänge der Röntgenstrahlung: Einstellbar  von 1.5 - 2.8 Å (monochromatisch, Cu Kα, Cr Kα)

Maximale Probenabmessung und -gewicht: Im mobilen Einsatz unbegrenzt, Oberfläche muss zugänglich sein. Im Labor L x B: 500 mm x 500 mm, H: 300 mm

Messfleck/-auflösung: Bis hinunter zu 0,2 mm (einstellbar durch Blenden), Mapping mit Schrittweite 0,1 mm

Messtiefe: In Stahl etwa 10 µm, in Aluminium etwa 100 µm

In vielen technischen Bauteilen und Werkstücken sind innere Spannungen (Eigenspannungen) vorhanden, die ganz entscheidend die Lebensdauer eines Bauteils beeinflussen. Mittels Röntgenbeugung (Diffraktion) kann man diese Eigenspannungen zerstörungsfrei an der Oberfläche des Bauteils bestimmen (z.B. bis etwa 100 µm Tiefe in Aluminium). Dabei bedient man sich der Tatsache, dass viele technische Materialien wie Metalle und Legierungen in polykristallinem Zustand vorliegen, in dem die Atome feste Gitterplätze einnehmen. Die Röntgenstrahlung wird am Atomgitter gestreut und die Gitternetzebenenabstände können mit großer Genauigkeit aus dem Beugungswinkel der detektierten Röntgenstrahlung bestimmt werden. Aus der Kenntnis der Gitterdehnung bzw. -stauchung können dann in Verbindung mit materialspezifischen Konstanten Spannungszustände nach Richtung und Vorzeichen berechnet werden. Durch Benutzung von Blenden kann die Strahlgröße und damit die laterale Auflösung variiert werden. Durch einen voll automatisierten Roboterarm können Mappings der Probenoberfläche realisiert werden. Die kompakte Bauweise erlaubt einen mobilen Einsatz in nahezu jeder Umgebung. Einzige Voraussetzung ist, dass die Oberfläche des zu untersuchenden Bauteils zugänglich ist.

Eigenspannungsbestimmung mittels synchrotronbasierter Röntgendiffraktometrie

Durch Diffraktion ermittelte Spannungskarte eines Aluminium-Testgusses (rot = Zugspannung, blau = Druckspannung). © Hereon

Anwendungen:

  • Geeignete Technik zur quantitativen Bestimmung der Eigendehnungen und –spannungen (ES) in Bauteilen und Komponenten.

Materialien: Metalle, Legierungen, Keramiken, auch mehrphasige Systeme (Materialien müssen kristallin oder polykristallin sein).

Signal und physikalisches Prinzip: Röntgenstrahlung wird am Atomgitter gestreut (Diffraktion) und das Beugungssignal als Funktion des Streuwinkels oder der Röntgenenergie detektiert. Hieraus lässt sich der Atomabstand bestimmen, der als “innerer Dehnungssensor” fungiert.

 

Kontakt: Dr. Marc Thiry, Dr. Jan Manuel Hinterstein, Dr. Michael Hofmann, Prof. Dr. Rainer Schneider

Funktionsprinzip der Dehnungsmessung mittels konischer Blenden (Diffraktion mittels monochromatischer Röntgenstrahlung). Der Gitternetzebenenabstand d kann aus dem Beugungswinkel Θ bestimmt werden. Das Messvolumen wird durch den Fokus der Konischen Blenden sowie den Strahlquerschnitt der einfallenden Röntgenstrahlung definiert. © Hereon

Messdauer: Sekunden (je Messpunkt)

Energie der Synchrotronstrahlung: Einstellbar  von 40 – 150 keV (monochromatisch)

Maximale Probenabmessung und -gewicht: Bis 100 kg, bis ø = 500 mm

Messvolumen/-auflösung: Bis hinunter zu 0,1 mm3  (abhängig von Korngröße des Materials)

Messtiefe: In Stahl bis 10 mm, in Aluminium bis 80 mm

Mittels synchrotronbasierter Röntgenbeugung (Diffraktion) kann man diese Eigenspannungen zerstörungsfrei bis in große Tiefen des Bauteils bestimmen (z.B. bis zu 80 mm in Aluminium). Dabei bedient man sich der Tatsache, dass viele technischen Materialien wie Metalle und Legierungen in polykristallinem Zustand vorliegen, in dem die Atome feste Gitterplätze einnehmen. Die Röntgenstrahlung wird am Atomgitter gestreut und die Gitternetzebenenabstände können mit großer Genauigkeit aus dem Beugungswinkel der detektierten Röntgenstrahlung bestimmt werden. Aus der Kenntnis der Gitterdehnung bzw. -stauchung können dann in Verbindung mit materialspezifischen Konstanten Spannungszustände nach Richtung und Vorzeichen berechnet werden.

Es besteht die Möglichkeit, winkelabhängige Diffraktion (monochromatische Strahlung) oder energieabhängige Diffraktion (polychromatische Strahlung) durchzuführen.

Durch Benutzung von konischen Blenden bei der winkelabhängigen Diffraktion vor der Probe kann ein Bauteil mit einer Ortsauflösung bis hinunter zu 0.1 mm3 tiefenaufgelöst vermessen und so die Eigenspannungsverteilung in einer Spannungskarte ermittelt werden. Hochenergetische Röntgenstrahlung, wie sie in Synchrotron-speicherringen erzeugt wird dringt tief in das Material ein.

Es können auch Bauteile und Materialproben mittels verschiedener Probenumgebungen auch in-situ z.B. unter Zug/Druckbelastung und/oder Temperatureinfluss untersucht werden.

Texturanalyse mit Neutronen

Blechbearbeitung durch Walzen. Rechts ist die gemessene Polfigur dargestellt, die eine typische Walztextur zeigt. Die Walzrichtung (RD) und die Querrichtung (TD) sind in die Polfigur eingezeichnet. © FRM II/ TUM

Anwendungen:

  • Geeignete Technik zur quantitativen Bestimmung der Textur.

Materialien: Metalle, Legierungen, Keramiken, auch mehrphasige Systeme (Materialien müssen kristallin oder polykristallin sein).

Signal und physikalisches Prinzip: Neutronen werden am Atomgitter gestreut (Diffraktion) und die Intensität des Beugungssignal als Funktion der Orientierung der Probe detektiert. Hieraus lässt sich die Orientierungsverteilung (Textur) der Kristallite in einer Probe ableiten.

 

Kontakt: Dr. Michael Hofmann

Typischer Messaufbau bei einer Texturmessung an einem Neutronendiffraktometer. Die Probe kann mittels einer Eulerwiege (oder alternativ eines Roboters) in alle möglichen Raumrichtungen bezüglich des Neutronenstrahls orientiert werden. © FRM II/ TUM

Messdauer: Minuten bis zu einigen Stunden

Wellenlänge der Neutronenstrahlung: Einstellbar  von 1.0 - 2.4 Å (monochromatisch)

Probengröße/-anzahl: Bis max. 30 kg, Reihenmessungen durch Roboterwechsler möglich

Messvolumen/-auflösung:

  1. Für globale Texturmessungen muss die Probe vollständig im Neutronenstrahl liegen, max. Größe hier ø = 30 mm
  2. Für ortsaufgelöste Texturmessungen bis hinunter zu 1 mm3

 

Ein Merkmal der meisten polykristallinen Materialien ist die bevorzugte Ausrichtung der sie bildenden Kristallite. Diese bevorzugte Orientierungs-verteilung der Kristallite wird als kristallografische Textur bezeichnet. Aufgrund der anisotropen Eigenschaften des Einkristalls beeinflusst die Textur mechanische und physikalische Eigenschaften in einer Probe. Verformung, Gießen, Schweißen und Wärmezufuhr können die Textur verändern. Daher ist die Kenntnis der Textur und ihrer Entwicklung ein Schlüsselfaktor für die Eigenschaftsoptimierung in der Materialwissenschaft.

Das Ziel der Texturanalyse ist es, die 3D-Orientierungsverteilung (ODF) der Kristallitkörner in einem polykristallinen Material in Bezug auf ein Proben-koordinatensystem quantitativ zu erfassen. Bei der Diffraktionsmethode mit Neutronen ist die integrale Intensität des gestreuten Strahls proportional zum Volumenanteil der Kristallite im Probenvolumen, die die Beugungsbedingung erfüllen. Durch Drehen der Probe durch alle möglichen Orientierungen kann die Intensitätsverteilung über eine Polkugel gemessen werden und ergibt die sogenannte Polfigur. Aus mehreren Polfiguren kann die ODF und damit die vollständige Texturinformation quantitativ abgeleitet werden.

Aufgrund der hohen Eindringtiefe der Neutronen sind keine Oberflächenbearbeitung der Proben notwendig. Zudem können auch Bauteile und Materialproben auch mittels verschiedener Probenumgebungen in-situ z.B. unter Zug/Druckbelastung (bis 100 kN) und/oder Temperatureinfluss (bis 1300° C) untersucht werden.

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