Eigenspannungen wirken sich sehr stark auf Lebensdauer und Einsatz von Bauteilen aus. So werden beispielsweise durch Oberflächenbearbeitungen gezielt Druckeigenspannungen in Proben eingebracht, um die Schwingfestigkeit oder Verschleißbeständigkeit zu steigern.
Mittels Röntgenbeugung können Mikroeigenspannungen an kritischen Stellen von Bauteilen (z.B. Laufflächen von Lagerringen) bestimmt werden. Die Eindringtiefe der Röntgenstrahlung liegt bei Metallen im µm-Bereich, daher ist die Röntgenanalyse besonders gut für eine Randzonencharakterisierung geeignet. Durch elektrolytischen Oberflächenabtrag kann das Eigenspannungs-Tiefenprofil der Proben charakterisiert werden.
Die Röntgenbeugung kann auch für Phasenanalysen (z.B. Restaustenitbestimmung in gehärteten Stählen) verwendet werden. Hohe Restaustenitgehalte im Gefüge verringern die Härte und können sich später in Martensit umwandeln, wobei es aufgrund unterschiedlicher Volumina zu unerwünschten Spannungen im Bauteil kommen kann. Die Messung des Restaustenitgehaltes mithilfe der Röntgendiffraktometrie erfolgt quantitativ und zerstörungsfrei.
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Anwendungsbeispiel: Bestimmung des Restaustenitgehaltes
Bei diesem Einsatzstahl fiel der hohe Restaustenitgehalt bereits metallographisch auf. Die Messung mittels Röntgenbeugung ergab einen Gehalt von 33 %.
Grundlagen der Röntgendiffraktometrie XRD
Die physikalische Grundlage der Röntgenfeinstrukturanalyse ist die Beugung kurzwelliger Röntgenstrahlung an den räumlich regelmäßig angeordneten Ebenen des Kristallgitters. Die Geometrie der Beugung wird durch das Braggsche Reflexionsgesetz beschrieben: n λ = 2d sin θ
Resultat der Messung ist ein Beugungsspektrum mit Intensitätspeaks in Abhängigkeit vom Beugungswinkel 2Theta. Durch Vergleich mit Datenbanken kann auf die Kristallstruktur (Phasen) der Gefügebestandteile und deren Anteile geschlossen werden, z.B. auf das Verhältnis von Restaustenit zu Martensit.
Durch Eigenspannungen wiederum werden die Ebenen des Kristallgitters verschoben und verzerrt, was zu einer messbaren Verschiebung der Beugungswinkel führt.