Röntgendiffraktometer durchleuchtet fast jeden

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Röntgendiffraktometer durchleuchtet fast jeden Werkstoff
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Röntgendiffraktometer durchleuchtet fast jeden Werkstoff
Auf einen Blick
Neues
Röntgendiffraktometer in
Betrieb genommen
Analyse der Kristallstruktur
im Werkstoff
Bestimmung von
Materialeigenschaften wie etwa
der Eigenspannung
Auftragsforschung für
Industriekunden
25. 2014
IW | Wie belastbar, spröde oder korrosionsempfindlich ein Material ist,
hängt von seiner Kristallstruktur ab, also von der Anordnung der Atome
im Werkstoff. Forscher des Instituts für Werkstoffkunde (IW) können
diese
Strukturen
sichtbar
machen
–
mit
einem
neuen
Röntgendiffraktometer.
So wie beim Menschen viele Eigenschaften in den Genen liegen, bestimmt die
kristalline Struktur die Eigenschaften moderner Werkstoffe wie Stahl,
Aluminium oder Keramik. Von der Anordnung der Atome im Material hängt
beispielsweise ab, wie gut ein Werkstoff Belastungen standhält, ob er Strom
leitet oder Sauerstoff transportieren kann.
Untersuchen lassen sich die Kristalle - und damit die Materialeigenschaften mit dem Röntgendiffraktometer (XRD) D8 Discover, welches das Institut für
Werkstoffkunde (IW) jetzt in Betrieb genommen hat. Das neue Großgerät
ermöglicht Einblicke in die kristalline Zusammensetzung, die bevorzugte
Kristallorientierung und die Eigenspannungen, die durch verschiedene
Fertigungsverfahren in den Kristallen verbleiben.
Walzen oder Fräsen ändert die Materialeigenschaften
Wird durch Hitze oder Druck die Kristallstruktur eines Werkstoffs verändert,
dann ändern sich auch seine Eigenschaften. Mal geschieht das zielgerichtet,
etwa bei der gesteuerten Wärmebehandlung von Stählen. Oft werden die
Eigenschaften von Werkstoffen aber auch unbewusst beeinflusst, zum
Beispiel beim Schmieden, Walzen und Fräsen von Metallen.
Durch das Walzen ordnen sich Kristalle mit einer bestimmten Kristallfläche zur
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Belastungsrichtung an, das heißt sie bekommen eine Vorzugsorientierung dann ist der Werkstoff in einer Richtung belastbarer als in der anderen. Bei der
Weiterverarbeitung muss das beachtet werden, um das Material nicht zu
beschädigen. Auch Spannungen können sich im Werkstoff bilden - etwa durch
rasches Abkühlen oder spanende Bearbeitung. Solche Effekte macht das IW
mittels Röntgendiffraktometrie sichtbar. Unternehmen können die
Erkenntnisse nutzen, um den Einfluss der Herstellung und der Verarbeitung
festzustellen und so hochwertige und haltbare Werkstoffe herzustellen.
Röntgen gibt Einblick in die Kristallstruktur
Mittels Röntgendiffraktometrie lässt sich die kristalline Struktur von
Festkörpern gut analysieren, ohne den Werkstoff zu beschädigen. Mit der
sogenannten Phasenanalyse werden die materialbildenden Kristallstrukturen
entschlüsselt, das heißt die räumliche Anordnung der verschiedenen Elemente
zueinander. Die Wechselwirkung mit charakteristischer Röntgenstrahlung
kann bestimmten Kristallstrukturen zugeordnet und mit einer Datenbank
verglichen werden - so lassen sich beispielsweise bei unbekannten Proben die
enthaltenen
Kristallphasen
ermitteln.
Weitere
Informationen
wie
Gitterparameter oder Kristallitgröße können ebenfalls untersucht werden.
XRD im Quadrat
Im Vergleich zu den bisherigen Möglichkeiten des Institutes kann an dem
neuen Röntgendiffraktometer im 2D-Modus gemessen werden, also in einer
Fläche statt Punkt für Punkt. Der Flächendetektor bietet eine Menge an
Vorteilen für die Materialanalytik. Die Informationen, die kegelförmig aus dem
Probenmaterial abgegeben werden, können als Kreissegmente gemessen
werden. Das minimiert die Informationsverluste, die etwa durch
Vorzugsrichtungen der Kristalle (Textur) oder durch zu große Kristalle
(Grobkorn) entstehen können. Der hohe Informationsgehalt aus den 2DMessungen ermöglicht schnelle und präzise Messungen selbst an minimalen
Probenmengen.
Von Mikro bis Kilo
Durch das zwei Meter hohe Gehäuse und die massive Probenbühne mit
einem Eigengewicht von 64 Kilogramm kann das IW nicht nur exemplarische
Prüfkörper untersuchen, sondern auch Messungen an realen Bauteilen wie
Zahnrädern oder verschweißten Grobblechen durchführen. Auf der
Probenbühne des neuen Gerätes können Untersuchungen an Proben mit
einem Maximalgewicht von 5 Kilogramm und einer maximalen Probenhöhen
von 9 Zentimetern durchgeführt werden. Aber auch minimale Probenmengen
oder sehr kleine Probenbereiche können präzise gemessen werden: Der
Fokus der Röntgenröhre ist auf 2, 1, 0,5 und 0,3 Millimeter einstellbar.
Die Messungen erfolgen mit paralleler Strahlung, dadurch können auch
unebene oder raue Oberflächen untersucht werden. Die Probenoberfläche
muss daher auch nicht speziell präpariert werden. Die Verwendung
unterschiedlicher charakteristischer Röntgenstrahlung wie Kupfer, Kobalt und
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Chrom ermöglicht die Analyse nahezu jeden Werkstoffes.
von Christoph Hübsch und Susanne Thürer
E-Mail: [email protected]
Tel.: (0511) 762 4341
Webseite:
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