Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Bei der Bearbeitung durch spanende Verfahren wird die entstehende Randzone thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Diese Belastungen führen zu Eigenspannungen, welche sich den während des Einsatzes des Bauteils auftretenden Lastspannungen überlagern. Eigenspannungszustände können dabei Anrisse und Risswachstum fördern bzw. hemmen [SCH90]. Randnahe Eigenspannungen werden standardmäßig röntgenographisch mit Hilfe des sin2y-Verfahrens gemessen. Die dabei verwendeten Diffraktometer gestatten es, Brennfleckdurchmesser bis hinab zu 150mm zu erreichen. Mit einem herkömmlichen Diffraktometer kann damit stets nur der Mittelwert der Eigenspannung in diesem Flächenabschnitt gemessen werden. Da Rissausbildung und Risswachstum jedoch örtlich lokalisiert stattfinden, ist die Kenntnis der ortsaufgelösten Eigenspannungsverteilung von großem Interesse. Zur Messung des ortsaufgelösten Eigenspannungszustands wird im Folgenden ein Messaufbau am HASYLAB des DESY (Hamburg) verwendet.
Abb 1: Messaufbau für das Material X-ray Imaging (MAXIM-) Verfahren.
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Zur Messung wird Synchrotronstrahlung verwendet. Der Röntgenstrahl wird über zwei Kristalle und einen goldbedampften Ge-Spiegel monochromatisiert und weist eine sehr geringe Strahldivergenz von 0,1 mrad auf. Die Probe ist auf einem klassischem Vierkreisgoniometer montiert. Der zur Messung der ortsaufgelösten Eigenspannungen verwendete Aufbau ist in den Bildern 1 und 2 dargestellt (vgl. /WRO00a, WRO00b/). Zentrales Modul ist die Röntgen-CCD-Kamera. Ein vor der Kamera montiertes Glaskapillarenfeld (micro channel plate) übt die Funktion zweidimensionaler Sollerblenden aus. Aufgrund von Strahldivergenz, Pixeldichte der CCD-Kamera und Kapillardichte ergibt sich ein örtliches Auflösevermögen von Dx» 25mm. Es wird im q/2q-Mode gemessen.
Abb 2: schematisierter Messaufbau.
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Für die Eigenspannungsmessung wird die Bragg-Reflexion von Röntgenstrahlen an den Kristalliten des Werkstoffs ausgenutzt. Eigenspannungen führen zu einer Dehnung oder Stauchung des Gitters, so dass sich der Winkel ändert, unter dem die Röntgenstrahlung reflektiert wird. Durch Drehen um den Winkel j und Verkippen der Probe um dem Winkel y kann mit Hilfe des sin2y-Verfahrens aus den Reflexlagen die Eigenspannung berechnet werden [MAC61].
Bei der röntgenographischen Messung mit der Röntgen-CCD-Kamera wird für jeden Kippwinkel 2q ein Bild erhalten, das die Zählrate in Abhängigkeit von den Ortskoordinaten x und y angibt. Die Mikrokanalplatte stellt durch die Absorption nicht parallel einlaufender Strahlen sicher, dass die detektierte Röntgenstrahlung ausschließlich von einem Punkt auf der Probe stammt [WRO99].
Die Eigenspannungsverteilung wird an einer Probe aus dem normalisierten Stahl Ck45 gemessen, die in einem Außenlängsdrehprozess bei einer Schnittgeschwindigkeit von vc= 2000 m/min trocken mit einem Mischkeramikwerkzeug bearbeitet wurde. Der Vorschub beträgt f=1,0 mm, die Schnitttiefe ap = 1,1 mm. Bild 3 zeigt die Oberfläche der vermessenen Probe in einer REM- Aufnahme.
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Abb 3: REM- Bild der vermessenen Probe.
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Es sind deutlich die unterschiedlichen Zonen zu erkennen, die während des Zerspanvorgangs ausgebildet werden. In den Kämmen, in denen sich Spanzipfel ausbilden [BRA61], sind starke plastische Verformungen zu erkennen, während der Riefengrund eine glatte Oberfläche aufweist. Es wird vermutet, dass es bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung zur Ausbildung starker Temperaturgradienten kommt [TÖN00].
Um aus der Position auf dem CCD-Bild die Position auf der Probe bestimmen zu können, wird zunächst in einer Riefe ein dünner Kupferdraht platziert, der bei dem gewählten Reflexionswinkel die Strahlung absorbiert und daher als heller Bereich zu erkennen ist (Bild4). Die Bereiche, in denen eine geringe Reflexion beobachtet wird, sind die Riefentäler, während die Kämme der Riefen eine hohe Reflexion zeigen.
Das oben dargestellte Messergebnis ist die Intensität I2q(x,y) in Abhängigkeit von den Raumkoordinaten x und y, beim Reflexwinkel 2q. Zur Bestimmung der Peaklage werden Aufnahmen für ein Intervall des Detektorwinkels 2q aufgenommen. Die beigefügte animierte Bilddatei Abb. 5 zeigt die 51 Aufnahmen der Kamera, die für die Auswertung verwendet werden. Jedes Bild hat dabei eine Belichtungszeit von ca. sechs Minuten.
Abb 4: Rohdaten. | 
Abb 5: (8.2 MB) Bildfolge der CCD- Kamera. | 
Abb 6: Überführung in ein 1D-Problem durch Integration | 
Abb 7: Abhängigkeit der Zählrate von y-Koordinate und Detektorwinkel |
Um die Auswertung zu erleichtern, kann die Symmetrie der Probe ausgenutzt werden. Die Eigenspannungsausbildung entlang einer Riefe wird als homogen angesehen. Daher kann durch Integration über die x-Koordinate das Problem auf ein eindimensionales (1D-) Problem zurückgeführt werden (Bild 6).
Durch Integration hängt das Messergebnis nunmehr von der y-Koordinate und dem Detektorwinkel 2q ab. Wird diese Operation für die gesamte Messung durchgeführt, wird für jedes Bild eine Kurve erhalten. Aus der Gesamtheit aller Funktionen I2q,j,y(y) folgt die Funktion I (y,2q), die im folgenden Bild 7 (linke Bildhälfte) dargestellt ist.
Um aus diesen Daten die Peaklage zu bestimmen, wird die Funktion I(y,2q) mit der im Bild angegebenen Gaußfunktion angepasst (vgl. [WRO01b]). Mit den so erhaltenen Daten können ein Untergrundabzug und eine Normierung durchgeführt werden (rechte Bildhälfte). Das Ergebnis zeigt zunächst das bereits in Bild4 gefundene Ergebnis unterschiedlicher Reflektivität in den Bereichen im Kamm und im Riefengrund. Die im linken Bildteil zu sehenden Peaks werden in den Riefenkämmen gemessen. Dabei ist zu beachten, dass auf der Abszisse nicht die Ortskoordinate x, sondern der Detektorwinkel 2 q aufgetragen ist. Im rechten Bildteil ist zu sehen, dass in den stark reflektierenden Riefenkämmen eine andere Winkelverschiebung beobachtet wird, als in den Riefentälern. Die weiße Linie beschreibt dabei die Kurve, auf der alle Maxima liegen. Es handelt sich folglich um 2qpeak(y) für y = 0°. Wird nun bei verschiedenen Kippwinkeln y gemessen, so kann aus den so erhaltenen Funktionen 2qpeak(y) die Eigenspannungskomponente s11 berechnet werden. Für j = 90° erhält man durch das gleiche Vorgehen s22(senkrecht zu den Riefen). Es werden die y - Winkel y = -40°, -30°, -20°, -10°, 0°, 10°, 20°, 30°, 40° vermessen. Das Ergebnis ist in Bild 8 dargestellt.
Abb 8: ortsaufgelöst gemessene Eigenspannungskomponenten s11 und s22.
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Der Mittelwert für die Parallelkomponente s11 liegt bei s11 = 540MPa. Es werden jedoch Spitzenwerte von s11 = 640 MPa erreicht. Die Komponente s22 schwankt zwischen s22 = 150 MPa und s22 = 250MPa.
Die gemessenen Eigenspannungsverläufe können gut mit den während des Zerspanprozesses auftretenden thermischen und mechanischen Einflüsse auf die Bauteilrandzone erklärt werden. Im Riefengrund kommt es zur größten Wärmeentwicklung, weshalb hier die höchsten Zugeigenspannungen zu finden sind. In den Spanzipfeln wird wenig Wärme entwickelt, da dort nur wenig Material umgeformt wird. In diesem Bereich liegt die Spanungsdicke unterhalb der minimalen Spanungsdicke, die erreicht sein muss, damit es zur Spanbildung kommen kann [BRA61]. Aus diesem Grund wird das Material in den Spanzipfeln stark plastisch verformt. Die mechanische Belastung führt dazu, dass der Eigenspannungszustand zu Druckspannungen verschoben wird.
Es wird ein Messaufbau vorgestellt, der es erlaubt, Eigenspannungen mit einer Ortsauflösung von unter 30mm zu messen. Dazu werden eine Röntgen-CCD-Kamera mit vorgesetzter Mikrokanalplatte und Synchrotronstrahlung verwendet. Bei der Messung der Eigenspannungen an einer hochgeschwindigkeitsbearbeiteten Stahlprobe zeigt sich, dass die Eigenspannungen eine deutliche Schwankung um den Mittelwert aufweisen. Dabei kann die Eigenspannungsausbildung gut anhand der Bedingungen während des Bearbeitungsvorgangs erklärt werden. Es ist dabei jedoch der sehr große Vorschub von f =1mm zu beachten. Ob auch bei praxisrelevanten Vorschüben ähnlich große Schwankungen der Eigenspannungen beobachtet werden, muss in weiteren Messungen geklärt werden.
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