Dapprich Ingenieurbüro bietet Ihnen den kompletten Service rund um die röntgenografische Messung von Eigenspannungen an. Wir beraten Sie bei allen Fragen, warum eine Messung durchgeführt werden soll, welche Werkstoffe geeignet sind, und unterstützen Sie bei der Auswahl und Festlegung sinnvoller Messpositionen an Ihrem Bauteil. 

Wir beraten Sie über Ihre gezielten Einflußmöglichkeiten auf die Eigenspannungswerte und deren Relevanz für Ihr Bauteil.

Eine regelmäßige Teilnahme unseres Labors an relevanten externen Qualitätskontrollen wie z.B. die Eignungsprüfung im Ringversuch mehrerer Labore sowie der gegenseitige Austausch von Referenzteilen mit anderen Laboren sorgt für eine gleichbleibende Qualität unserer Laborleistungen.

Dapprich Ingenieurbüro offers you a complete service package around the measurement of residual stresses by X-ray diffraction. We advise you on all questions why a measurement should be carried out, which materials are suitable and support you in the selection and determination of reasonable measuring positions on your component. 

We advise you on how you can specifically change the residual stresses and their relevance for your component.

Regular participation of our laboratory in relevant external quality controls, such as the round robin testing of several laboratories and the mutual exchange of reference parts with other laboratories, ensures the consistent quality of our laboratory services.

Als Eigenspannungen bezeichnet man die in einem belastungsfreien Bauteil vorliegenden mechanischen Spannungen. Sie erzeugen eine Dehnung des Kristallgitters in Abhängigkeit von den elastischen Eigenschaften des Materials und der betrachteten Richtung. Solange keine äußeren Kräfte auf das Bauteil wirken, kompensieren sich die Eigenspannungen innerhalb des Bauteilvolumens vollständig, es herrscht Gleichgewicht.

Bei Herstellung und Bearbeitung eines Bauteils entstehen und verändern sich Eigenspannungen in erheblichem Maße. Mechanische Bearbeitungen (Schleifen, Drehen, Fräsen, Kugelstrahlen, Ziehen, Walzen, Schmieden, …), thermische (Gefügeumwandlung, Glühprozesse) und auch chemische Prozesse (Beschichten, Oxidation, Korrosion, …) sowie kombinierte Prozesse (Nitrieren, Nitrocarburieren) führen zu Veränderungen des Eigenspannungszustandes. 

Eigenspannungen können Werte in der Größenordnung der Streck- bzw. Dehngrenze des aktuellen Werkstoffzustandes erreichen. Die im Betrieb des Bauteils von außen wirkenden Lastspannungen addieren sich zu den vorliegenden Eigenspannungen - im ungünstigen Fall kann eine Überschreitung der lokalen Festigkeit zu Rissbildung oder Komplettversagen des Bauteils führen.

Es lassen sich 3 Zustände von Eigenspannungen unterscheiden:

1. Zugspannung

2. Druckspannung

3. Scher- oder Schubspannung

Die Lebensdauer eines wechselbeanspruchten Bauteils unter Betriebslast hängt u.a. von dessen Eigenspannungszustand ab. Im Sinne einer Steigerung der Belastbarkeit des Bauteils bzw. seiner Design-Lebensdauer wird der gezielte Einbau von Druckeigenspannungen in die funktionsrelevante Randzone angestrebt. Hierzu ist bei der Wärmebehandlung und bei der Materialbearbeitung ein kontrolliertes Vorgehen mit Kenntnis der erzeugten Eigenspannungen nach Betrag, Richtung und Verteilung über die Randzone erforderlich. Zugeigenspannungen sollten stets vermieden werden, da sie eine Rissbildung begünstigen und die Lebensdauer bzw. Belastbarkeit des Bauteils reduzieren.

Die röntgenographische Eigenspannungsanalyse nach DIN EN 15305 ist ein präzises und bewährtes Verfahren zur Ermittlung von Eigenspannungen. Hierzu werden Röntgendiffraktometer eingesetzt, welche über den Einsatz von Röntgenstrahlung mit definierter Wellenlänge und mithilfe des Braggschen Gesetzes λ = 2dsinθ (λ: Wellenlänge der Röntgenstrahlung, d: Netzebenenabstand, 2θ: gemessener Beugungswinkel) die Bestimmung der Kristallgitterabstände erlauben.

Hierzu wird in der Regel die sin²psi-Methode angewendet, wobei die richtungsabhängige Gitterdehnung unter verschiedenen Winkeln zwischen der Oberflächennormale und der Normale der beugenden Netzebene bestimmt wird.

Neben dem Wert der Eigenspannung generiert die röntgenografische Messung den Wert der Halbwertsbreite. Die Halbwertsbreite ist ein empfindlicher Indikator für die vorausgegangene thermische Belastung des Bauteils, z.B. durch einen Schleifprozess.

Durch Messung und Auftragung von Eigenspannung und Halbwertsbreite als Verlauf über die prozesssensitive Stärke der Randzone lässt sich ein charakteristischer Fingerabdruck mit hoher Aussagekraft über die Qualität einer Hart-Fein-Bearbeitung erstellen. 

Residual stresses are the mechanical stresses present in a load-free component. They generate an elongation of the crystal lattice depending on the elastic properties of the material and the direction under consideration. As long as no external forces act on the component, the residual stresses within the component volume compensate each other completely and equilibrium prevails.

During the manufacture and processing of a component, residual stresses arise and change to a considerable extent. Mechanical processing (grinding, turning, milling, shot peening, drawing, rolling, forging, ...), thermal (structural transformation, annealing processes) and chemical processes (coating, oxidation, corrosion, ...) as well as combined processes (nitriding, nitrocarburizing) lead to changes in the residual stress state.

Residual stresses can reach values in the order of magnitude of the yield or elongation limit of the current material condition. External loads acting on the component during operation add to the existing residual stresses - in unfavorable cases, exceeding the local strength can lead to cracking or complete failure of the component.

Following 3 cases of residual stresses can be separated:

1. tensile stress

2. compressive stress

3. shear stress

The service life of a component subject to alternating stress under operating load depends, among other things, on its residual stress state. To increase the load-bearing capacity of the component or its design service life, the targeted incorporation of residual compressive stresses in the functionally relevant edge zone is a well proven counteract. This requires a controlled approach during heat treatment and material processing with knowledge of the amount, direction and distribution of the residual stresses generated across the edge zone. Residual tensile stresses should always be avoided, as they promote cracking and reduce the service life and load-bearing capacity of the component.

X-ray residual stress analysis in accordance with DIN EN 15305 is a precise and proven method for determining residual stresses. For this, X-ray diffractometers are usesd, which allow the crystal lattice spacing to be determined by X-rays with a defined wavelength and with the aid of Bragg's law λ = 2dsinθ (λ: wavelength of the X-rays, d: lattice plane spacing, 2θ: measured diffraction angle).

Usually, the sin²psi method is used for this purpose, whereby the direction-dependent lattice strain is determined at different angles between the surface normal and the normal of the diffractive mesh plane.

In addition to the value of the residual stress, the X-ray measurement generates the value of the half-width. The half-width is a sensitive indicator of the previous thermal load on the component, e.g. from a grinding process.

By measuring and plotting the residual stress and half-width as a curve over the process-sensitive thickness of the edge zone, a characteristic fingerprint can be created that is highly informative about the quality of hard-fine machining.