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Leibniz-Uni Hannover

Messung von Bauteil-Eigenspannungen in größerer Tiefe

Eigenspannungen entscheiden über die Lebensdauer und das Einsatzverhalten von metallischen Bauteilen. Sie entstehen aus dem Zusammenwirken mechanischer und thermischer Belastung während der Fertigung des Bauteils auf nur bedingt vorhersehbare Art und Weise. Sie treten als Zug- oder Druckeigenspannungen auf: Erstere begünstigen eine Rissbildung, letztere vermindern die 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.

Folgendes Beispiel zeigt die bisherigen Limitierungen: In Bauteilen aus Stahl lassen sich Eigenspannungen mit dem üblichen Röntgenverfahren nur bis in eine Tiefe von etwa 5,5 mm messen. Dies ist 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 jedoch sehr lange, für Messungen in acht Tiefenschritten etwa einen Arbeitstag.

Am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) am Produkti Universität wurde nun ein Verfahren eingeführt, das eine Messung der Eigenspannungen in bislang nicht erreichbaren Randzonentiefen zerstörungsfrei, effizient und in „normaler“ Laborumgebung ermöglicht. Durch die Weiterentwicklung der verfügbaren Detektoren konnte das Röntgenverfahren verändert werden: Statt wie üblich monochrome, charakteristische Röntgenstrahlung zu nutzen, kann mit einem maßgeschneiderten Röntgengerät das gesamte Spektrum der Bremsstrahlung bis 50 kV eingesetzt werden. Ein spezieller, auf minus 20 °C 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“ (Gitterebenen-Abstand des kristallinen Bauteils) in verschiedenen Tiefen der Randzone und gibt damit Auskunft darüber, ob dieser Abstand d kleiner (Druckeigenspannung) oder größer (Zugeigenspannung) ist als der charakteristische Wert des unverspannten Materials.

Mit diesem neuen Verfahren werden ganz neue Randzonenbereiche erfasst – die Limitierung liegt etwa für Aluminium bei 600 und für Stahl bei 50 mm. Noch größere Tiefen lassen sich durch die Kombination dieses neuen Verfahrens mit den elektrolytischen Verfahren realisieren, bei denen das Bauteil dann aber wieder zerstört wird.

Aktuell arbeiten die Forscher 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 am IFW willkommen. Denn neben der Grundlagenforschung steht am Produktionstechnischen Zentrum der praxisnahe Austausch mit Anwendern aus der Industrie hoch im Kurs.

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