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Eigenspannungsmessung

2018-07-22T22:01:48

Oftmals wird das Betriebsverhalten von Bauteilen signifikant durch den Eigenspannungszustand im oberflächennahen Bereich bestimmt, da der Werkstoff besonders im randnahen Bereich Korrosion, Verschleiß sowie mechanischer oder thermischer Beanspruchung ausgesetzt ist.

Mithilfe der Röntgendiffraktometrie (XRD) ist es möglich, Eigenspannungsanalysen durchzuführen und diesen Spannungszustand im Randbereich zu bestimmen. Zudem bietet die Technologie als Qualitätskontrollinstrument die Möglichkeit, Analysen zum Nachweis von Phasenumwandlungen oder zur Bestimmung des qualitativen Phasenbestandes bzw. der quantitativen Phasenzusammensetzung im randnahen Bereich durchzuführen. Ebenso ergeben sich bei der Entwicklung von (dünnen) Verschleißschutzschichten zahlreiche weitere Anwendungsmöglichkeiten wie z.B. der Nachweis neuer Phasen von Werkstoffen, die Bestimmung der Kristallorientierung oder die Untersuchung der Mikrostruktur auf ihre Kristallitgrößen oder Mikrospannungen. Mit der zerstörungsfreien Röntgendiffraktometrie können dabei alle kristallinen Werkstoffe wie Metalle, Keramiken, dünne Schichte oder Nanopartikel mit der Röntgenbeugung analysiert werden.

Das Funktionsprinzip der Röntgendiffraktometrie beruht auf dem physikalischen Phänomen der Röntgenstrahlbeugung an Kristallstrukturen. In einem Röntgendiffraktometer wird monochromatisches Röntgenlicht auf das zu untersuchende, kristalline Material unter einem vordefinierten Winkelbereich (Θ bzw. 2 Θ) projiziert (Abb. 1). Da die Wellenlänge von Röntgenstrahlen in der gleichen Größenordnung wie die Abstände benachbarter Atome in kristallinen Materialien liegt, wirken diese Atome auf das Röntgenlicht wie ein dreidimensionales Beugungsgitter. Die gebeugten Röntgenwellen werden anschließend reflektiert, interferieren miteinander und werden danach durch einen Detektor erfasst. Abhängig vom Atomabstand kommt es dabei zu konstruktiver oder destruktiver Interferenz. Entscheidend sind hierbei die Glanzwinkel, die durch Intensitätsmaxima erkennbar sind. Sie sind charakteristisch für die Netzebenenabstände und geben Aufschluss auf den Kristallaufbau.

Durch die Auswertung des detektierten Beugungsbildes und der aufgenommenen Glanzwinkel können im Abgleich mit einer Datenbank die verschiedensten Phasen und zugehörigen Kristallstrukturen eindeutig bestimmt werden.