Eigenspannungsanalysen

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© 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).

Leistungen

 

Wir ermitteln Eigenspannungen mit röntgenografischen und mechanischen Verfahren. In Kombination der unterschiedlichen Messmethoden realisieren wir die ökonomische und zuverlässige Ermittlung und Bewertung von Eigenspannungszuständen. Die Verfahren werden stetig weiterentwickelt 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 ergeben sich wirtschaftliche Messstrategien. 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 unterschiedlichen 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 metallischer 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
  • Entstehung und Veränderungen von Eigenspannungen im Betrieb durch thermische, mechanische und chemische Einflüsse
  • Verbesserung von Fertigungsverfahren wie Formgebung, Bearbeitung, Nachbehandlung und Fügen die gezielte Erzeugung günstiger Eigenspannungen in der Fertigung 

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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 für (teil-)kristalline Werkstoffe geeignet. Die üblicherweise eigensetzte langwellige Röntgenstrahlung hat eine geringe Eindringtiefe von wenigen µm bis einigen 10 µm. Größere Tiefenbereiche können durch schrittweisen elektrochemischen Abtrag mit jeweils nachfolgenden Messungen erreicht werden. Dann ist das Verfahren nicht mehr zerstörungsfrei.

© Achim Käflein / Fraunhofer IWM
Eigenspannungsmapping an Großbauteilen
© Fraunhofer IWM
Ermittlung von Schweißeigenspannungen vor Ort
© Felizitas Gemetz / Fraunhofer IWM
Mikrodiffraktometer zur effizienten Eigenspannungsermittlung mit höchster Ortsauflösung

Für eine Eigenspannungsmessung mittels des klassischen sin2ψ-Verfahrens ist zur Ermittlung einer einzelnen Normalspannungskomponente σf die Erfassung der entsprechenden Gitterdeformation bei unterschiedlichen Kippungen in ψ notwendig.

Bei Abwesenheit von Schubspannungen gilt ein linearer Zusammenhang zwischen dem gemessenen Netzebenenabstand d und sin2ψ. Aus der Geradensteigung lässt sich somit die gesuchte Spannungskomponente (Betrag und Vorzeichen) berechnen

Um das klassische sin2ψ-Verfahren anwenden zu können, muss eine Zugänglichkeit der Messposition gegeben sein. Das Fraunhofer IWM hat hierfür eine CAD-Routine entwickelt, um die Randbedingungen des sin2ψ-Verfahrens mit Form und Größe jedes Bauteils abzugleichen. Somit kann ohne komplizierte Absprachen und Probensendungen eine Strategie zur experimentellen Bestimmung von Eigenspannungen kostengünstig entwickelt werden.

 

Ab einer Tiefe von etwa 20 µm können Eigenspannungen in Randschichten auch mittels mechanischem Bohrlochverfahren 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 können so bestimmt werden. 

© Achim Käflein / Fraunhofer IWM
Eigenspannungsermittlung mittels Bohrlochverfahren

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 Mikrodiffraktometer für lateral hochauflösende Analysen (beispielsweise in Kerben), eine automatisierte 4-Punktbiegevorrichtung zur Bestimmung der speziellen röntgenographischen Elastizitätskonstanten und mehrere mobile Diffraktometer für Eigenspannungsuntersuchungen an großen Bauteilen. Fast ausschließlich arbeiten wird mit ortempfindlichen Röntgendetektoren, so dass viele Messungen in kurzer Zeit durchgeführt werden können, was ein Mapping von Bauteilbereich erlaubt.

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Publikationen

 

  • Janarthanam, H.; Sommer, S.; Carl, E.- R.; Preußner, J.; Huberth, F., Numerical prediction of damage in punching process using shear modified Gurson model, in Proc. of 4th European Steel Technology and Application Days; Stahlinstitut VDEh, Düsseldorf (2019) 11 Seiten

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