Eigenspannungsanalyse mit Neutronen- und Röntgenstreuung

Die inneren Spannungen oder Eigenspannungen sind von entscheidender Bedeutung für die Eigenschaften insbesondere die Lebensdauer eines Bauteils. Mit Hilfe der Diffraktometrie ist es möglich diese Eigenspannungen, auch tief im Inneren eines Objekts, zu analysieren.

Bei der Herstellung von mechanischen Bauteilen, wie Zahnrädern, Kurbelwellen oder Turbinenschaufeln, werden immer höhere Ansprüche an deren Eigenschaften, etwa die mechanische Belastbarkeit, gestellt. Diese Eigenschaften werden dabei sehr stark von dem eingesetzten Material und seiner Vorgeschichte bestimmt. Durch Produktionsprozesse, Materialbearbeitung und thermische Belastungen entstehen innere Spannungen im Werkstoff, so genannte Eigenspannungen, die unter anderem für die Lebensdauer eines Bauteils entscheidend sind. Aus diesem Grund ist deren genaue Kenntnis von höchster Bedeutung für die Qualitätssicherung und Betriebssicherheit sowie die Leistungsfähigkeit der Bauteile. Mit Hilfe der diffraktometrischen Methoden ist es möglich, ortsaufgelöst die Verteilung der Eigenspannungen zu analysieren. Am HZB kommen dabei sowohl Neutronen-, wie auch Röntgen- und Synchrotronstrahlung zum Einsatz. Mit Neutronenstrahlung ist es möglich, die Eigenspannungen bei Stählen bis zu mehreren Zentimetern tief unterhalb der Oberfläche zu analysieren. Bei Aluminiumlegierungen sind es sogar 10 cm. Am Neutronenstreuzentrum des HZB befinden sich Messanlagen, mit denen Komponenten mit bis zu 300 kg Gewicht und Abmessungen von einem Meter im Durchmesser exakt positioniert und geprüft werden können. Es ist auch möglich, Bauelemente unter Umgebungsbedingungen bezüglich Temperatur, Belastung, Atmosphäre etc. zu untersuchen, die den realen Betriebsbedingungen entsprechen.
Aufgrund der zumeist sehr viel geringeren Eindringtiefe von Röntgenstrahlen in Metallen, die nur etwa einige hundert Mikrometer, je nach der Energie, beträgt, lassen sich gerade die Eigenspannungen an Oberflächen damit besonders gut bestimmen, in hervorragender Ergänzung zu der Neutronenstrahlung. Dies ist oft von großem Interesse, weil gerade die Randbereiche eines Bauteils während des betrieblichen Einsatzes besonders hoch belastet werden. So kann aber auch direkt auf die Eigenspannungen im Material Einfluss genommen werden und etwa einer möglichen Rissentwicklung gezielt entgegengewirkt werden. Diffraktometrische Eigenspannungsanalysen mit Neutronen sind bei der Mehrzahl der industriell eingesetzten Werkstoffe wie Metalle, Legierungen, Keramiken sowie Kompositmaterialien möglich.