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Gerät zur Messung innerer Werkstoff Spannungen
Gegenstand der Erfindung ist ein Gerät für die direkte, zerstörungsfreie Messung innerer Werkstoffspannungen mittels Röntgenstrahlen.
Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur mindestens annähernden Ermittlung der inneren elastischen Spannungen in Werkstoffen von Maschinenelementen (Bauelementen) fussen auf der Elastizitätstheorie, nach welcher die Deformation des Materials der Spannung proportional ist. Durch mechanische Methoden werden die inneren Spannungen der Werkstoffe unter gleichzeitiger Zerstörung des Prüfstückes ermittelt. Die tensometrischen Methoden bestimmen bloss die zusätzlichen Spannungen, welche durch äussere Kräfte bewirkt werden, können jedoch nicht die ursprüngliche Restspannung ermitteln, die durch die technologische Bearbeitung entsteht und dauernd im Werkstoff bleibt, selbst wenn der Bestandteil nicht durch äussere Kräfte belastet wird.
Bessere Resultate ergeben Methoden, die durch Ausnützung der Röntgenstrahlungsinterferenz auf Atom- gittern die gesamte innere Spannung aus den Deformationen dieses Gitters ohne Zerstörung des Prüflings bestimmen. Diese Methoden sind genau, doch ist die Messung mühsam, erfordert kostspielige Enrichtungen und qualifizierte Fachleute.
Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung eines einfachen und billigen Gerätes, mit dem auch Arbeiter von geringer fachliche Qualifikation innere Spannungen in Werkstoffen schnell und ohne komplizierte Berechnungen ermitteln können.
Die grundlegende Beziehung für die Bestimmung der tangentiellen Komponente der inneren Spannung a auf der Oberfläche des zu messenden Prüflings wird durch die bekannte Gleichung
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bestimmt. In dieser Gleichung bedeuten Eden Youngschen Elastizitätsmodul, v die Poissonkonstante der
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Interferenzen auf den entsprechenden Atomebenen bestimmt, welche entweder auf dem Film aufgefangen werden, auf dem ihre Entfernungen durchgemessen werden, oder auf irgendeinem der Detektoren von Röntgenstrahlungen, z. B. durch den Geiger-Müller-Zähler, Szintillationszähler u. a.
Alle röntgenographischen Methoden beruhen demnach auf der genauen Ermittlung der Entfernungen der Netzebenen, d. h. es wird der Interferenzwinkel z bestimmt, dessen Abhängigkeit von der Netzebenenentfernung d durch die Braggsche Bedingung für die Entstehung der Interferenz
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ausgedrückt wird, wobei X die Wellenlänge der interferierenden Strahlung bedeutet.
Das Wesen der vorliegenden Erfindung beruht darin, dass am Gerät der Brennfleck der Röntgenröhre an Stelle einer Schlitz-Blende als Quelle der divergenten Primärstrahlung ausgenützt wird, um intensive Interferenzen auf den Atomebenen zu erzielen. Diese Interferenzen werden durch einen Strahlungsdetektor (z. B. Geiger-Müller-Zähler) auf dem Fokussierungskreis aufgefangen. Die Entfernung zwischen der Röntgenröhre und dem Prüfling, bei welcher der Detektor eine maximale Abweichung anzeigt, entspricht der genauen, durch den Winkel 2 7 ; ausgedrückten Interferenzlage. Dieser Winkel wird am Gerät gemäss der vorliegenden Erfindung durch mechanische Übertragung aus der gegenseitigen Lage des Prüflings der Röntgenröhre und des Detektors bei maximaler Abweichung abgeleitet.
Der einfache Winkel il wird durch weitere Übertragung auf ein Lineal abgeleitet, das um einen festen Zapfen auf der Messplatte drehbar ist, auf welcher die Gerade angerissen ist, deren Entfernung von der Drehachse des Lineals im gleichen Verhältnis zur Hälfte der Wellenlänge ^ der verwendeten Strahlung steht wie eine Einheit am Massstab des Lineals zur gemeinsamen Einheit (z. B. 1 Angström) für die Messung der Wellenlänge der Strahlung und der Netzebenenentfemung. Auf dem um den Winkel J) von der Normalen zu der die Hälfte'der Wellenlänge ^ darstellenden Geraden L abweichenden Lineal werden sodann direkt die den inneren Spannungen im Material proportionalen Netzebenenentfernungen abgelesen.
Die Erfindung schafft ein Gerät zur Messung innerer Werkstoffspannungen durch Röntgenstrahlung, wo- bei der Brennfleck der Röntgenröhre, der an Stelle einer beweglichen Blende verwendet wird, eine Quelle der divergenten Primärstrahlung bildet, deren Interferenzen auf den Netzebenen durch einen Strahlungdetektor im Fokussierkreis aufgefangen werden, welches Gerät dadurch gekennzeichnet ist, dass auf einem Arm, welcher drehbar auf einem an der Röntgenröhre befestigten Zapfen gelagert ist, dessen geometrische Achse den Brennfleck der Röntgenröhre durchsetzt, ein Detektor fest gelagert ist, dessen optische Achse in einem rechten Winkel zum angeführten Arm steht und parallel zu einem Arm verläuft, welcher in einer mit dem Detektor verbundenen'Gleitführung verschiebbar ist, die die Normallage des Armes zum Arme, dessen Länge konstant ist, sichert und der Arm,
der mit einem Endstück versehen ist, an das zu messende Material angedrückt wird, wobei sich die Mitte des Endstückes längs einer mit der zur Achse der auf das zu messende Material auffallenden Strahlung parallelen Geraden verschiebt, die senkrecht zur Drehachse des Armes steht, und der Arm in das mit dem Detektor verbundene Gleitstück eingeschoben wird, so dass sich der Winkel 2 , den die Arme mit den durch die Achsen durchgehenden Ebenen schlie- ssen, verändert, und dass an eine Verlängerung des Armes mittels eines Zapfens das an die mit der Grundplatte parallelen Messplatte anliegende Messlineal drehbar um eine Achse angeschlossen ist, die von der Achse den gleichen Abstand aufweist, wie die Achse des Zapfens von der Achse,
wobei die Achse parallel und in einer zur Richtung der einfallenden Strahlung und zur Messplatte senkrechten Ebene angeordnet ist und auf der Messplatte parallel mit der Strahlungsachse eine Gerade kenntlich gemacht ist, deren Entfernung von der Drehachse des Lineals im gleichen Verhältnis zur Hälfte der Wellenlänge der verwendeten Strahlung steht wie die Einheit am Massstab des Lineals zur gemeinsamen Einheit (z. B. 1 = 1 dm) für die Messung der Wellenlänge der Strahlung und des Netzebenenabstandes, welch letzterer am Lineal ablesbar ist als Abstand des Schnittpunktes des verdrehten Lineals mit der Geraden von der Linealdrehachse gemäss der Bragg'schen Gleichung d = -, wenn 11 den Interferenzwinkel bezeichnet.
2 cos 11 Die Zeichnung zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel eines Gerätes gemäss der Erfindung. Mit M ist der Prüfling, mit D ein Detektor bezeichnet, der am Arm a so befestigt ist, dass seine Achse zum Arm a senkrecht steht. Der Arm a ist an einem Ende um einen an der Röntgenröhre befestigten Zapfen drehbar gelagert, dessen geometrische Achse f durch den Brennfleck F der Röntgenröhre R geht. Der Detektor D ist mittels einer Führung an einem zweiten Arm b verschiebbar angeordnet, der in jeder Lage senkrecht zum Arm a steht. Der Arm b ist mit einem Endstück m versehen, das an das zu messende Material angedrückt wird, und dessen Mitte in dem Schnittpunkt der Detektorachse und der Strahlungsachse liegt.
Vor der Messung wird das Gleitstück mit dem Zapfen m in Richtung von der Röntgenröhre in die Endlage hinausgeschoben und die gegenseitige Lage der Röntgenröhre und des Prüflings M so eingestellt, dass die geometrische Achse des Zapfens m in der Tangentialebene zur Oberfläche des Prüflings liegt. Bei der Messung grosser Prüflinge wird. die Röntgenröhre dem Prüfling genähert. Kleine Prüflinge werden der Röntgenröhre genähert. Bei jeglicher Änderung der Entfernung zwischen dem Prüfling und der Röntgenröhre werden die beiden Arme a und b verdreht, wobei die Detektorachse ständig zur Mitte der zu messenden Fläche des Prüflings gerichtet ist.
Die virtuellen Achsen der Arme a und b bilden die Katheten eines rechtwinkeligen Dreiecks, dessen Hypotenuse von der wechselnden Entfernung des Brennfleckes F der Röntgenröhre von der Mitte der zu messenden Fläche des Prüflings M bestimmt wird. Im Scheitel G dieses
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rechtwinkeligen Dreiecks befindet sich der Schlitz des Detektors D. Wird die Entfernung des Zapfens m und des Prüflings M von der Röntgenröhre verändert, dann verändert sich auch die Lage der beiden Arme a und b relativ zur Strahlungsachse. Bei einer gewissen Entfernung des Prüflings M von der Röntgenröhre zeigt der Detektor D maximale Intensität an und der zur Detektorachse parallele Arm b schliesst mit der Strahlungsachse den Winkel 2 tri ein, der die genaue Lage der Interferenz bestimmt.
Einen gleichgrossen Winkel schliesst der Arm a mit der senkrecht zur Strahlungsachse durch die Mitte des Zapfens f gehenden Geraden ein. Der Arm a ist an seinem freien Ende mit einem Zapfen S versehen, der die Bewegung auf das Lineal P überträgt, das mit einem Langschlitz N für die relative Bewegung des Zapfens S versehen und drehbar am Zapfen o gelagert ist, der ähnlich wie der Zapfen f mit der Röntgenröhre verbunden ist. Die Mittellinie des Zapfens o hat von der Mittellinie des Zapfens f den gleichen Abstand wie der Zapfen s.
Die Mittellinien (oder Achsen) der Zapfen s und o liegen demnach auf einem Kreis, dessen Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt des Zapfens f zusammenfällt. Schliesst der Arm a mit der durch die Mittelpunkte o und f gehenden Geraden einen Winkel 2 ze dann schliesst das Lineal P mit derselben Geraden einen Win- keI1/.
Das Lineal P liegt an der Messplatte Q an, auf der die mit der Strahlungsachse parallele Gerade L eingeätzt ist. Ist der Abstand dieser Geraden vom Mittelpunkt des Zapfens o gleich einem bestimmten Vielfachen der Hälfte der verwendeten Wellenlänge A, dann kann auf der Messgeraden des Lineals P dasselbe Vielfache des Gitterabstandes d laut Gleichung (2) abgelesen werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gerät zur Messung innerer Werkstoffspannungen durch Röntgenstrahlung, wobei der Brennfleck der Röntgenröhre, der an Stelle einer beweglichen Blende verwendet wird, eine Quelle der divergenten Primärstrahlung bildet, deren Interferenzen auf den Netzebenen durch einen Strahlungsdetektor im Fokussierkreis aufgefangen werden, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Arm (a), welcher drehbar auf einem an der Röntgenröhre befestigten Zapfen gelagert ist, dessen geometrische Achse (f) den Brennfleck der Röntgenröhre durchsetzt, ein Detektor (D) fest gelagert ist, dessen optische Achse in einem rechten Winkel zum angeführten Arm (a) steht und parallel zu einem Arm (b) verläuft, welcher in einer mit dem Detektor (D) verbundenen Gleitführung verschiebbar ist, die die Normallage des Armes (b) zum Arme (a), dessen Länge konstant ist,
sichert und der Arm (b), der mit einem Endstück (m) versehen ist, an das zu messende Material angedrückt wird, wobei sich die Mitte des Endstückes (m) längs einer mit der zur Achse der auf das zu messende Material auffallenden Strahlung parallelen Geraden verschiebt, die senkrecht zur Drehachse (f) des Armes (a) steht, und der Arm (b) in das mit dem Detektor (D) verbundene Gleitstück eingeschoben wird, so dass sich der Winkel 2 ze den die Arme (a bzw. b) mit den durch die Achsen (o und f bzw.
m und f) durchgehenden Ebenen schliessen, verändert, und dass an eine Verlängerung des Armes (a) mittels eines Zapfens (S) das an die mit der Grundplatte parallelen Messplatte (Q) anliegende Messlineal (P) drehbar um eine Achse (o) angeschlossen ist, die von der Achse (f) den gleichen Abstand aufweist, wie die Achse des Zapfens (S) von der Achse (f), wobei die Achse (o) parallel und in einer zur Richtung der einfallenden Strahlung und zur Messplatte (Q) senkrechten Ebene angeordnet ist und auf der Messplatte (Q) parallel mit der Strahlungsachse eine Gerade (L) kenntlich gemacht ist, deren Entfernung von der Drehachse (o) des Lineals im gleichen Verhältnis zur Hälfte der Wellenlänge (X) der verwendeten Strahlung steht wie die Einheit am Massstab des Lineals (P) zur gemeinsamen Einheit (z. B.
1 = 1 dm) für die Messung der Wellenlänge der Strahlung und des Netzebenenabstandes (d), welche letzterer am Lineal (P) ablesbar ist als Abstand des Schnittpunktes des verdrehten Lineals (P) mit der Geraden (L) von der Linealdrehachse (o) gemäss der Bragg'schen Gleichung d= ---, wenn den Interferenz- cos 11 winkel bezeichnet.