Eigenspannungsanalysen

© Foto Felizitas Gemetz / Fraunhofer IWM

Unser Ziel sind eigenspannungsoptimierte Bauteile bei unseren Auftraggebern.
Dazu ermitteln wir fertigungs- und einsatzbedingte Eigenspannungen, bewerten diese im Hinblick auf die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Lebensdauer von Bauteilen und erarbeiten Empfehlungen und Konzepte für Bauteilauslegung, Werkstoffeinsatz und Fertigungsprozesse.
Um die Voraussetzungen für einen sicheren und zuverlässigen Bauteileinsatz zu schaffen, untersuchen und analysieren wir Eigenspannungen in Verbindung mit der zu Grunde liegenden Werkstoffmikrostruktur, umgebungsbedingten Degradationen (wie z.B. Wasserstoff oder Korrosion) und Fertigungseinflüssen (z.B. durch Schweißen, Wärmebehandlung oder Oberflächenbehandlung).
Über die Bestimmung von Messwerten zur Bauteilbewertung, als Input für Simulationsrechnungen oder zur Verifikation von Simulationsergebnissen betreiben wir Fertigungs- und Bauteiloptimierung und Messtechnikentwicklung.

Leistungen

Wir ermitteln Eigenspannungen in unseren Labors oder vor Ort beim Kunden. Zum Einsatz kommen mechanische oder röntgenografische Verfahren. Jedes Verfahren hat seine Vor- und Nachteile, je nach Fragestellung. In Kombination realisieren wir die ökonomische und zuverlässige Ermittlung und Bewertung des Eigenspannungszustandes. Die Verfahren werden stetig weiter entwickelt und durch neue Entwicklungen ergänzt. Die untersuchten Bauteile bewegen sich im Millimeter bis in den Meterbereich.  Ergänzend führen wir Textur- und Phasenanalysen durch. Durch die effiziente an die Problemstellung des Auftraggebers angepasste Auswahl von Analyseverfahren ergibt sich eine wirtschaftliche Messstrategie. Darüber hinaus simulieren und berechnen wir Eigenspannungen und daraus resultierende Gefügeveränderungen in Folge von bestimmten Fertigungsschritten.

Basierend auf unseren Analysen und Bewertungen erarbeiten wir Optimierungskonzepte und Strategien zum Umgang mit unterschiedlichsten Werkstoffmechanismen:

Gefügeoptimierung bei der Wärmebehandlung

Bearbeitungsbedingte Kaltverfestigung

Verschleiß und Korrosionsschutz unter dem Gesichtspunkt der Eigenspannungsoptimierung

Rissbildung durch Wasserstoffversprödung

Kaltrissbildung nach Schweißen

Wasserstoffforcierte Ermüdung

Veränderung von Festigkeitseigenschaften/ Verformbarkeit

Spannungsrisskorrosion

Kugelstrahlen spröder Werkstoffe

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Auslöser für die Zusammenarbeit

Ungewollte oder unverstandene Veränderungen bei den Eigenschaften bzw. der Funktion der hergestellten oder eingesetzten Bauteile, wie z.B. Verzug, Rissbildung, Ermüdung, Versagen, Korrosion)

die Entstehung und Veränderungen von Eigenspannungen im Betrieb durch thermische, mechanische, chemische oder entsprechend kombinierte Einflüsse

die Verbesserung von Fertigungsverfahren wie Formgebung, Bearbeitung, Nachbehandlung und Fügen

die gezielte Erzeugung günstiger Eigenspannungen in der Fertigung

die Unterstützung bei Soft- und Hardwareentwicklung sowie der Durchführung von Messungen

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Warum es sich lohnt mit uns Kontakt aufzunehmen

Unser langjährig erfahrenes Personal erarbeitet wirtschaftlich und effektiv Analyse- und Forschungsergebnisse für eine abgesicherte Entscheidungsgrundlage bei unseren Auftraggebern.

Unsere Kompetenz der Werkstoffmikrostruktur, der Schädigungsmechanismen in Werkstoffen und Bauteilen sowie der Eigenspannungen erlaubt eine ganzheitliche Betrachtung der Problemstellungen und führt zu nachhaltigen Lösungen.

Unsere Geräteausstattung ermöglicht Eigenspannungsuntersuchungen an schwierigen Bauteilgeometrien und an verschiedensten Werkstoffen (Keramiken, Metallen, Schichten, Verbundwerkstoffen).

Bei Soft- und Hardwareentwicklungen ist unsere Expertise als Berater gefragt. Wir sind in Normen- und Fachausschüssen aktiv und sind vertraut mit dem aktuellsten Stand der Technik.

 

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Methoden und Einsatzgebiete

Oberflächennahe Eigenspannungsanalysen führen wir bevorzugt mittels Röntgenbeugung (XRD, X-Ray Diffraction) durch. Dieses Verfahren beruht auf der Ermittlung von Dehnungen im Kristallgitter, ist also nur für (teil-)kristalline Werkstoffe geeignet. Die üblicherweise eigensetzte langwellige Röntgenstrahlung hat eine geringe Eindringtiefe von wenigen µm bis einigen 10 µm, weshalb eine hohe Tiefenauflösung erreicht wird. Größere Tiefenbereiche können durch schrittweisen elektrochemischen Abtrag mit jeweils nachfolgenden Messungen erreicht werden. Dann ist das Verfahren nicht mehr zerstörungsfrei. 

© Foto Achim Käflein / Fraunhofer IWM

Eigenspannungsmapping mit XRD Roboter

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Ermittlung von Schweißeigenspannungen vor Ort

© Foto Felizitas Gemetz / Fraunhofer IWM

Mikrodiffraktometer zur effizienten Eigenspannungsermittlung mit höchster Ortsauflösung

Ab einer Tiefe von etwa 20 µm können Eigenspannungen in Randschichten auch mittels Bohrloch- oder Ringkernverfahren ermittelt werden. Dazu wird der vorliegende Eigenspannungszustand schrittweise durch Hochgeschwindigkeitsfräsen eines Sackloches bzw. einer Ringnut teilweise abgebaut und die dabei entstehenden Dehnungen mittels Dehnmessstreifen registriert. Aus den Dehnungs-Tiefenverläufen kann auf die ursprünglich vorgelegenen Eigenspannungen zurückgerechnet werden. Eigenspannungs-Tiefenverteilungen bis in etwa 1,2 mm (Bohrloch) bzw. 5 mm (Ringkern) Tiefe können so vollautomatisch bestimmt werden. 

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Eigenspannungsermittlung mittels Bohrlochverfahren

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Ringnut zur Eigenspannungsermittlung in einem festgewalzten Bauteil mittels Ringkernverfahren

Eigenspannungen in gezogenen Wolframdrähten (Mikro-Diffraktometrie)

Wolframdrähte für die Beleuchtungsindustrie werden in einem vielstufigen Prozess auf eine Dicke von weniger als 100 µm gezogen. Obwohl der Prozess seit Jahrzehnten ezabliert ist, treten häufig Längsrisse, so genannte Splits auf. Diese Splits können sich über große Distanzen entlang der Drahtachse im erkalteten Draht ausbreiten. Treibende Kraft für die Rissausbreitung sind die Eigenspannungen. Auch die Entwicklung der Ziehtextur spielt bei diesem Schädigungsvorgang eine wichtige Rolle, da sie für richtungsabhängige Eigenschaften im Draht mitverantwortlich sind.
Die röntgenographische Ermittlung von Textur und Eigenspannung in dünnen Drähten stellt eine große experimentelle Herausforderung dar. Defokussierungseffekte können nur mit stark gebündeltem Primärstrahlengang beherrscht werden. Das Resultat sind geringe Intensitäten, die nur durch den Einsatz des dafür spezialisierten Mikrodiffraktometers zu akzeptablen Messzeiten führen. Zur Ermittlung der Eigenspannungstiefenverteilungen ist ein schrittweiser elektrochemischer Abtrag erforderlich, der zu Eigenspannungsumlagerungen führt, der mathematisch korrigiert werden muss. Die Untersuchungen ermöglichten zusammen mit einer Finite Elemente Modellierung des Ziehprozesses eine Optimierung der Ziehparameter zur Vermeidung ungünstiger Zugeigenspannungen in der Randschicht der Drähte.

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Elektrochemisches Abdünnen eines 2 mm dicken Wolframdrahtes zur Ermittlung der Eigenspannungstiefenverteilung

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Tiefenverteilung der Axial- und Tangential-Eigenspannungen eines Wolframdrahtes

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Ziehtextur des Wolframdrahtes ((220}-Polfigur)

Eigenspannungen in Hochleistungskeramiken (Röntgenbeugung)

Bearbeitungs- und Verschleißbedingte Eigenspannungen und Schädigungen beeinflussen die Randschichtfestigkeit von Keramiken. Röntgenographische Beugungsanalysen und an die zu erwartende Betriebsbeanspruchung angepasste Festigkeitsuntersuchungen können hier aussagekräftige Ergebnisse liefern.
Sowohl makroskopische Eigenspannungen, die sich den Betriebsspannungen überlagern, als auch Versetzungsdichten, die ein Maß für die mechanische Beanspruchung bei der Bearbeitung oder dem Betrieb sind, können röntgenographisch ermittelt werden.  Beim Einfluss der Bearbeitungsverfahren auf die Randschichtfestigkeit ist, überraschend oft für den spröden Werkstoff Keramik, eine Erhöhung der Festigkeit durch grobe Bearbeitungsverfahren festzustellen. Die röntgenographische Ermittlung der Randschichtveränderungen und deren Bewertung mittels bruchmechanischer Methoden zeigen, dass in solchen Fällen der Einfluss festigkeitssteigernder Bearbeitungseigenspannungen den Einfluss bearbeitungsbedingter Schädigungen überwiegt. Ähnliche Zusammenhänge werden auch bei der Betrachtung des tribologischen Verhaltens keramischer Bauteile im Falle einer bevorzugt mechanischen Randschichtbeanspruchung gefunden. Grob geläppte Oberflächen bieten, wegen des in der Einlaufphase reduzierten Traganteils, zunächst geringere Schmiereffekte als feingeläppte Oberflächen. Die hohen und tiefreichenden bearbeitungsinduzierten Druckeigenspannungen können jedoch über lange Verschleißwege den Werkstoffabtrag vermindern.

 

Pfeiffer, W.; Residual Stresses in bulk ceramics, Handbook on Residual Stress 1; Lu,K. (Ed.) Society for Experimental Mechanics, Bethel, CT , USA (2005) 274-285 Link

Pfeiffer, W.; Residual stress effects in machining and wear of ceramics, in Proc. of 6th Conference on Residual Stress; Dias, A.M.; Pina, J.; Batista, A.C.; Diego, E. (Eds.); Trans Tech (2002)

Pfeiffer, W.; Hollstein, T.; Characterization and Assessment of Machined Ceramic Surfaces; Bearbeitung neuer Werkstoffe VDI-Berichte Nr. 1276, VDI-Verlag, Düsseldorf (1996) 587-602 Link

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Applikation eines Auto-Ventils aus Siliziumnitrid in einer Rotationsvorrichtung zur röntgenographischen Eigenspannungsermittlung

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Tiefenverteilung der Schleifeigenspannungen; Schädigungstiefen und Biegefestigkeiten von Siliziumnitrid für zwei verschiedene Bearbeitungsvarianten

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Tiefenverteilung der Versetzungsdichten (Mikrodehnungen) in Siliziumkarbid nach verschiedenen Verschleißwegen (Gleitverschleiß)

Ökonomische Ermittlung von Eigenspannungen reibrührgeschweißter Raumfahrt-Komponenten

Reibrührschweißen (engl. friction stir welding, FSW) findet zunehmend Beachtung im Flugzeugbau und der Raumfahrt als Fügemethode für hochfeste Aluminiumlegierungen. Die wesentlichen Grunde dafür sind geringere Verzüge und gringere thermisch bedingte Festigkeitsbeeinflussungen im Vergleich zum Schmelzbadschweißen. Bei diesem Verfahren taucht ein rotierender Pin unter hoher Kraft in die zu verbindenden Komponenten ein. Dabei wird das Material durch Reibung erwärmt und zähplastisch verformt. Mit fortschreitendem lateralem Vorschub vermengt sich das Material der Fügepartner durch einen extrusionsähnlichen Prozess und bildet eine Naht. Obwohl die im Prozess entstehenden Temperaturen wesentlich geringer sind als beim Schmelzbadschweißen, entstehen thermisch und verformungsbedingte Eigenspannungen im Material. Sie können sich ungünstig auf das Ermüdungsverhalten, das Risswachstum und den Widerstand gegen Spannungsrisskorrosion des Werkstoffs auswirken und müssen in der Auslegung der Bauteile berücksichtigt werden.
Für Eigenspannungs- und Festigkeitsanalysen werden verständlicherweise keine kompletten Bauteile herangezogen, sondern bevorzugt Probekörper, die wiederum aus größeren, bauteilnahen Komponenten entnommen werden. Für die Optimierung der Fertigungsprozesse werden bevorzugt Probeschweißungen an geometrisch einfacheren, ebenen Komponenten durchgeführt. Damit stellt sich die Frage, ob der Eigenspannungszustand in den Komponenten und Probekörpern dem Eigenspannungszustand im Bauteil nahe kommt oder zumindest eine konservative Bewertung des Eigenspannungseinflusses ermöglicht.
Das Fraunhofer IWM nutzt zur Eigenspannungsanalyse verschiedene zerstörungsfreie, teilzerstörende und zerstörende Verfahren. Beim Reibrührschweißen sind Eigenspannungen in Randschichtbereichen für die oben genannten Schädigungsprozesse relevant. Oberflächennahe Eigenspannungen werden bevorzugt mittels zerstörungsfreier röntgenographischer Beugungsanalysen bestimmt. Die Tiefenverteilungen in der Randschicht können jedoch mit dem inkrementellen Bohrlochverfahren ökonomischer ermittelt werden. Um mögliche laterale und zur Tiefe vorliegende Spannungsmaxima aufzudecken, wurden deshalb die Oberflächen-Eigenspannungsverteilungen röntgenographisch ermittelt und zusätzlich an den Orten maximaler Eigenspannungen Tiefenverteilungen per Bohrlochverfahren gemessen.
Die Entnahme von Probekörpern aus großvolumigen, bauteilnahen Komponenten kann zur Umlagerung weitreichender Eigenspannungsfelder führen. Um einen für das Bauteil relevanten Eigenspannungszustand angeben zu können, wurden mittels Dehnmessstreifen Eigenspannungsumlagerungen ermittelt, die bei der Entnahme der Komponenten und der weiteren Verkleinerung zu Probekörpern auftraten. Da ausschließlich elastische Dehnungen auftraten, konnten die an diesen Probekörpern ermittelten Eigenspannungsverteilungen um den Einfluss der Umlagerung korrigiert werden.

Pfeiffer, W.; Wenzel, J.; The multiple-incremental hole drilling method; MP materials testing 50/9 (2008) 495-499 Link

Pfeiffer, W.; Reisacher, E.; Windisch, M.; Kahnert, M.; The effect of specimen size on residual stresses in friction stir welded aluminium components; Advanced Materials Research 996 (2014) 445-450 Link

Blauel, J.G.; Brand, M.; Pfeiffer, W.; Varfolomeev, I.; Bruchmechanische Bewertung von rissbehafteten Schweißkonstruktionen mit Eigenspannungen; Bruchmechanik von Grenzflächen: Tagungsband 38. Tagung des DVM-Arbeitskreises Bruchvorgänge DVM-Bericht 238 ; Kuna, M. (Hrsg.); Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V. DVM,  Berlin (2006); 25-39 Link

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Querschliff durch eine FSW Naht eines 8mm dicken Ringes aus der Legierung AA 2219 mit durch unterschiedliche thermo-mechanische Vorgänge beeinflussten Bereichen A – D. Quelle MT Aerospace.

© Foto Fraunhofer IWM

Links: Mittels röntgenographischer Analyse ermittelte oberflächennahe Eigenspannungen entlang einer Spur quer zur Schweißrichtung. Durchgezogene Linien bezeichnen die Messergebnisse, gestrichelte Linien die Verteilungen, die die Spannungsumlagerung beim Heraustrennen der Proben berücksichtigen. Longitudinal direction = längs zur Naht (Längseigenspannungen)

Gerätetechnische Ausstattung am Fraunhofer IWM

Dem Fraunhofer-IWM stehen eine Reihe unterschiedlicher Röntgenbeugungsanlagen zur Verfügung. Zusätzlich zu Diffraktometern mit üblicher Ausstattung für Pulverdiffraktometrie verfügen wir über ein Mikrodiffraktometer für lateral hochauflösende (bis 50 µm) Analysen (beispielsweise in Kerben), eine Hochtemperaturkammer für in situ Beugungsanalysen bis 2000°C (beispielsweise für temperatur- und zeitaufgelöste Verfolgung von Wärmebehandlungsprozessen), eine automatisierte 4-Punktbiegevorrichtung zur Bestimmung der speziellen röntgenographischen Elastizitätskonstanten und mehrere mobile Diffraktometer für Eigenspannungsuntersuchungen an großen Bauteilen, auch vor Ort beim Kunden. Fast ausschließlich arbeiten wird mit ortempfindlichen Röntgendetektoren, sodass viele Messungen in kurzer Zeit (typischerweise Minuten), auch an mehrphasigen Werkstoffen, durchgeführt werden können.

Bruker-AXS D8 Advance mit ¼-Eulerwiege

3 Bruker-AXS D5000 mit ¾-Eulerwiege bzw. in Q-Q Anordnung

Bruker-AXS Mikrodiffraktometer mit Drehanode und Flächendetektor (laterale Auflösung bis 50 µm)

Hochtemperaturzelle (bis 2000°C) für in situ Beugungsanalysen

Dünnschichtzusatz für Untersuchungen unter streifendem Einfall

2 Mobile Diffraktometer für Eigenspannungsmessungen an großen Bauteilen (Stresstech XSTRESS3000, Stresstech G3)

Roboterdiffraktometer »StressRobot« für automatisiertes Stressmapping und Serienmessungen

4-Punkt-Biegevorrichtung für die vollautomatisierte Bestimmung röntgenographischer Elastizitätskonstanten (REK)

Vollautomatisierte Bohrloch- bzw. Ringkernverfahren für teilzerstörende, tiefenauflösende Eigenspanungsermittl

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