Eigenspannungen: Analysemöglichkeiten deutlich erweitert

Eigenspannungen entscheiden über die Lebensdauer und das Einsatzverhalten von metallischen Bauteilen. Sie entstehen aus dem Zusammenwirken mechanischer und thermischer Belastung während der (spanenden) Fertigung des Bauteils auf nur bedingt vorhersehbare Art und Weise. Sie treten als Zug- oder Druckeigenspannungen auf: Erstere begünstigen eine Rissbildung, letztere vermindern Rissbildung, sind also gute Eigenspannungen. Die Frage, ob die sogenannte Randzone, die bis einige hundert Mikrometer unter die Bauteiloberfläche reicht, Zug- oder Druckeigenspannungen aufweist, ist folglich entscheidend für die Qualität des gefertigten Bauteils.

Am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) am PZH beschäftigt sich der promovierte Naturwissenschaftler und Röntgenexperte Bernd Breidenstein mit dem Thema Eigenspannungen. Er leitet die Analytik-Abteilung des Instituts und hat ein Verfahren am IFW eingeführt, das eine Messung der Eigenspannungen in bislang nicht erreichbaren Randzonentiefen zerstörungsfrei, effizient und in normaler Laborumgebung ermöglicht.

Die bisherigen Limitierungen skizziert Breidenstein an einem gängigen Beispiel: In Bauteilen aus Stahl lassen sich Eigenspannungen mit dem üblichen Röntgenverfahren nur bis in eine Tiefe von etwa 5,5 Mikrometer messen – viel zu wenig, um eine Aussage über die Randzone und damit die Eigenschaften des Bauteils treffen zu können. Um trotzdem Auskunft aus der Tiefe der Randzone zu bekommen, trägt man Schicht für Schicht Material ab – da mechanische und thermische Verfahren das Ergebnis verfälschen würden, wählt man elektrolytisches Polieren. Das dauert: Für Messungen in acht Tiefenschritten kann man einen Arbeitstag ansetzen.

Die Lösung dieses Problems wird realisierbar dank der Weiterentwicklung verfügbarer Detektoren und dem damit möglich gewordenen Wechsel des Röntgenverfahrens: Statt wie üblich monochrome, charakteristische Röntgenstrahlung zu nutzen, setzt Breidenstein mit einem maßgeschneiderten Röntgengerät das gesamte Spektrum der Bremsstrahlung bis 50 kV ein. Ein spezieller, auf minus 20 Grad Celsius gekühlter Detektor reduziert außerdem das Hintergrundrauschen so massiv, dass auch die sehr kleinen Signale registriert und ausgewertet werden, die gemäß der Bragg-Gleichung entstehen, wenn diese Strahlung an den für das Material charakteristischen Gitterebenen gebeugt wird.

Mit dem Input bekannter Zusammenhänge und Werkstoffkonstanten liefert eine solche, einzelne Messung über einen großen Wellenlängenbereich schließlich den Abstand „d“ – den Gitterebenen-Abstand des kristallinen Bauteils – in verschiedenen Tiefen der Randzone. Und damit Auskunft darüber, ob dieser Abstand d kleiner (Druckeigenspannung) oder größer (Zugeigenspannung) ist als der charakteristische Wert des – unverspannten – Materials.

Nach Breidenstein kommt man mit diesem Verfahren in ganz neue Bereiche der Randzone hinein – die Limitierung liegt etwa für Aluminium bei 600 und für Stahl bei 50 Mikrometer. Noch größere Tiefen realisiert man durch die Kombination dieses neuen Verfahrens mit den elektrolytischen Verfahren, bei denen das Bauteil dann aber wieder zerstört wird. Aktuell arbeiten Breidenstein und weitere wissenschaftliche Mitarbeiter des IFW im Rahmen des Sonderforschungsbereichs Tailored Forming an der Weiterentwicklung und Validierung der neuen Analyseverfahren. Bundesweit gibt es nur noch zwei weitere Labors, die sich mit Fragen der Eigenspannungsanalytik auf ähnliche Weise beschäftigen – der Austausch ist entsprechend eng.

Unternehmen, die eigenen Forschungsbedarf zu Eigenspannungen sehen, sind mit ihren Fragen und Themen willkommen. Denn neben der Grundlagenforschung steht am Produktionstechnischen Zentrum der praxisnahe Austausch mit Anwendern aus der Industrie hoch im Kurs.

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