Eigenspannungs- und Texturanalyse am Instrument Stress-Spec

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Hedwig Raske
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1 Eigenspannungs- und Texturanalyse am Instrument Stress-Spec Neutronen zur Messung von inneren Spannungen 12. September September

2 STRESS-SPEC am FRM-II Optimiertes Diffraktometer - Neutronenfluß - Probengeometrie - Messvolumen - Auflösung Leute G.A.Seidl (FRM-II) R. Schneider (HMI) U. Garbe (GKSS) J. Kornmeier (FRM-II, HMI) J. Repper (FRM-II) R Wimpory (HMI) September

3 Eigenspannungen + Texturen Neutronen zur Analyse der Eigenspannungen Neue Möglichkeiten für Analysen im Inneren von Bauteilen, z.b.: Qualitätskontrolle bei Einzelstücken Prozessoptimierung Eigenspannungen: Verifizierung von FEM Berechnungen Textur: Berechnung von mechanischen Eigenschaften 12. September

4 Eigenspannungen Eigenspannungen... sind mechanische Spannungen in einem Bauteil, das keinen äußeren Belastungen unterliegt entstehen bei der Werkstoffherstellung und der Fertigung von Bauteilen, z.b. beim Gießen, Umformen, Fügen entstehen in Verbundwerkstoffen, z.b. faserverstärkten Werkstoffen beeinflussen die Werkstoff- und Bauteileigenschaften z.b. Festigkeit, Lebensdauer, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit 12. September

5 Diffraktometrische Eigenspannungsanalyse Beugungsmethoden... - sind phasenspezifisch (z.b. Verbundmaterialien wie Al/SiC) - liefern zerstörungsfrei ortspezifische Spannungsinformation bis in das Volumen von industriellen Bauteilen - erlauben die quantitative und direkte Ermittlung der Gitterdehnungen bzw. des Spannungstensors - ermöglichen in-situ Messungen der Phasen-, Textur- und Eigenspannungsentwicklung in Abhängigkeit von Temperatur, externer Beanspruchung (Zug, Druck),. 12. September

6 Diffraktometrische Eigenspannungsanalyse Beugungsmethoden... - sind phasenspezifisch (z.b. Verbundmaterialien wie Al/SiC) - liefern zerstörungsfrei ortspezifische Spannungsinformation bis in das Volumen von industriellen Bauteilen - erlauben die quantitative und direkte Ermittlung der Gitterdehnungen bzw. des Spannungstensors - ermöglichen in-situ Messungen der Phasen-, Textur- und Eigenspannungsentwicklung in Abhängigkeit von Temperatur, externer Beanspruchung (Zug, Druck),. sind sind essentielle Werkzeuge der der Eigenspannungsund Texturanalyse und 12. September

7 Wie misst man Eigenspannungen mit Neutronen? λ Messrichtung Bragg Gleichung nλ = 2d sinθ λ Detektor 12. September

8 Wie misst man Eigenspannungen mit Neutronen? λ d 0 Messrichtung d Bragg Gleichung nλ = 2d sinθ λ Detektor 12. September

9 Wie misst man Eigenspannungen mit Neutronen? Δd/d ~ 10-4 λ I (a.u.) d 0 Messrichtung d 0 d d (Å) d 2θ Bragg Gleichung nλ = 2d sinθ λ Detektor 12. September

10 Wie misst man Eigenspannungen mit Neutronen? Δd/d ~ 10-4 λ I (a.u.) d 0 Messrichtung d 0 d d (Å) d 2θ Bragg Gleichung nλ = 2d sinθ λ Detektor Innere Spannung d σ = E * Δ d 12. September

11 Definition des Probevolumens Primärblende Messvolumen Neutronenstrahl Messrichtung Detektor Probenvolumina min. 1 mm 3 Eindringtiefe bis 10 cm (materialabhängig) Probe 2θ Sekundärblende 12. September

12 Absorption - Eindringtiefen Al Transmission W Ti 0.2 Ni Fe Penetration path (mm) 12. September

Netzwerk für Eigenspannungs- und Texturanalyse STRAINET

E3 + + E7 E7 am am BER BER II, II, x-rays x-rays @ HMI-Wannsee

(R. Schneider) Schneider) Synchrotron- Synchrotron- Materialforschungs

(Chr. Genzel) Genzel) EUROPEAN COMMISSION DIRECTORATE GENERAL JRC JOINT

13 Netzwerk für Eigenspannungs- und Texturanalyse STRAINET Materialforschungs- Materialforschungs- Diffraktometer Diffraktometer E3 E3 + + E7 E7 am am BER BER II, II, x-rays HMI-Wannsee HMI-Wannsee (R. (R. Schneider) Schneider) Synchrotron- Synchrotron- Materialforschungs Materialforschungs Beamline Beamline bei bei BESSY BESSY (Chr. (Chr. Genzel) Genzel) EUROPEAN COMMISSION DIRECTORATE GENERAL JRC JOINT RESEARCH CENTRE Institute for Energy STRESS-SPEC STRESS-SPEC am am FRM FRM II II (R. (R. Schneider, Schneider, M. M. Hofmann) Hofmann) Strainet 12. September

14 Beispiel 1: Optimierung der Eigenspannungen in Kurbelwellen 12. September

15 Beispiel 1: Optimierung der Eigenspannungen in Kurbelwellen 12. September

stresses pa] 0 induction hardended zone Oil channel -800

16 Beispiel 1: Optimierung der Eigenspannungen in Kurbelwellen Tangential stress profile along the red line 800 residual stresses pa] 0 induction hardended zone Oil channel -800 distance to the radius of the main bearing September

17 Beispiel 2: Schweißnaht EUROPEAN COMMISSION DIRECTORATE GENERAL JRC JOINT RESEARCH CENTRE Institute for Energy Messvoulumen: 2x2x2 mm 3 Si(400) Monochromator, λ = Å Messung an Fe(311) Braggreflex bei 2θ S ~ mm Transverse Reparaturschweissung (Austenit) Weld stop Normal Longitudinal Validierung von FEM-Modellen Erstellung eines Protokolls zur Standardisierung von Eigenspannungen in ähnlichen Komponenten y x L TT Weld start 120 mm (M.Hofmann, R. Wimpory 2006) 12. September

18 Beispiel 2: Schweißnaht EUROPEAN COMMISSION DIRECTORATE GENERAL JRC JOINT RESEARCH CENTRE Institute for Energy Messvoulumen: 2x2x2 mm 3 Si(400) Monochromator, λ = Å Messung an Fe(311) Braggreflex bei 2θ S ~ mm Transverse Reparaturschweissung (Austenit) Weld stop Normal Longitudinal Validierung von FEM-Modellen Erstellung eines Protokolls zur Standardisierung von Eigenspannungen in ähnlichen Komponenten y x L TT Weld start 120 mm (M.Hofmann, R. Wimpory 2006) 12. September

Beispiel 2: Schweißnaht 400 EUROPEAN COMMISSION DIRECTORATE GENERAL JRC JOINT RESEARCH CENTRE Institute for Energy 300 Residual Stress (MPa) 200 100 0-100 Longitudinal Stress-Spec FRMII -200-100

19 Beispiel 2: Schweißnaht 400 EUROPEAN COMMISSION DIRECTORATE GENERAL JRC JOINT RESEARCH CENTRE Institute for Energy 300 Residual Stress (MPa) Longitudinal Stress-Spec FRMII Position (mm) Messvoulumen: 2x2x2 mm 3 Si(400) Monochromator, λ = Å Messung an Fe(311) Braggreflex bei 2θ S ~ mm Transverse Reparaturschweissung (Austenit) Weld stop Normal Longitudinal Validierung von FEM-Modellen Erstellung eines Protokolls zur Standardisierung von Eigenspannungen in ähnlichen Komponenten y L TT Weld start 120 mm x (M.Hofmann, R. Wimpory 2006) 12. September

-Wasser abgeschreckt und spannungsarm geglüht (R) Durchmesser ca.

20 Beispiel 3: Eigenspannungen in Superlegierungen 3 bei 990 C geschmiedete Pancakes -Luft gekühlt (L) -Wasser abgeschreckt (W) -Wasser abgeschreckt und spannungsarm geglüht (R) Durchmesser ca. 240 mm Dicke ca. 40 mm (abgedreht auf ca. 20 mm) 12. September

nach Abschreckvorgang Eigenspannungen nach Abdrehen

21 Beispiel 3: Eigenspannungen in Superlegierungen Vergleich mit numerischer Simulation Eigenspannungen nach Abschreckvorgang Eigenspannungen nach Abdrehen (umgelagert) Messposition C. Krempaszky et al (2006) 12. September

22 Beispiel 3: Eigenspannungen in Superlegierungen Simulation + Messung 600 Residual Stress [MPa] Distance from turned surface [mm] hoop radial axial J.Repper et al (2006) 12. September

23 Beispiel 3: Eigenspannungen in Superlegierungen Simulation + Messung 600 Residual Stress [MPa] Distance from turned surface [mm] hoop radial axial J.Repper et al (2006) 12. September

24 Beispiel 3: Eigenspannungen in Superlegierungen Simulation + Messung 600 Residual Stress [MPa] Distance from turned surface [mm] hoop radial axial J.Repper et al (2006) 12. September

25 Textur Textur... beschreibt Orientierung der Kristallite in einem polykristallinen Material (95% der festen Materie ist polykristallin) entstehen bei der Werkstoffherstellung und der Fertigung von Bauteilen, z.b. beim Gießen, Umformen, Fügen beeinflusst die Werkstoff- und Bauteileigenschaften z.b. über Verformbarkeit September

26 Auswirkung von Texturen Al-Blech Al-Napf 12. September

Messung von Texturen Drehung um ϕ = 0-360 Kippung

27 Messung von Texturen Drehung um ϕ = Kippung um χ = 0-90 Polfigurmessraster 12. September

28 Beispiel: Lokale Texturen Lokale Textur über eine Schweißnaht in Aluminium Messauflösung: 2x2x2 mm 3 Abstand Messpunkte: 5 mm P2 = Mitte Schweißnaht U. Garbe (2006) 12. September

29 Messdauer: Probenabhängig - bis einige Stunden Vorbereitung & Adaption & Interpretation: 3-10 Tage Maße und Gewichte: bis 250kg bis 800mm Peripherie Zugapparatur, Biegeapparatur, Öfen 12. September

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