DE10065277B4

DE10065277B4 - Method for analyzing residual stresses in metallic materials by means of high-energy photons

Info

Publication number: DE10065277B4
Application number: DE10065277A
Authority: DE
Inventors: Reinard Kampmann; Thomas Dr. Lippmann
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1999-12-29
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2020-12-30
Also published as: DE10065277A1

Abstract

Verfahren zur Analyse von Eigenspannungen in metallischen Werkstoffen, bei dem hochenergetische Photonen auf ein Target aus einem metallischen Werkstoff geleitet werden und die am Kristallgitter des Werkstoffs gestreuten Photonen von einem Detektor erfaßt werden, wobei aus der erfaßten Breite der Bragg-Reflexe und/oder dem gemessenen Winkel die Eigenspannungen herleitbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Streuvolumen der hochenergetischen Photonen derart eingeschränkt wird, daß eine Separation von Einzelkristalliten des metallischen Werk-stoffs ermöglicht wird, indem in den Strahlengang der am Target reflektierten Photonen vor dem als ortsempfindlichem Flächendetektor ausgebildeten Detektor eine als Ringblende ausgebildete Blende eingefügt ist, wobei der Flächendetektor in Form eines Gasdetektors ausgebildet ist.method for analysis of residual stresses in metallic materials, in the high-energy photons on a target of a metallic material be passed and scattered at the crystal lattice of the material Photons are detected by a detector, wherein the detected width the Bragg reflexes and / or the measured angle, the residual stresses can be derived, thereby characterized in that Scattering volume of high-energy photons is limited so that one Separation of single crystallites of the metallic material is made possible, by projecting into the beam path of the photons reflected at the target as a location-sensitive area detector trained detector is inserted as a diaphragm designed aperture, wherein the area detector is formed in the form of a gas detector.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von Eigenspannungen in metallischen Werkstoffen, bei denen hochenergetische Photonen auf ein Target aus dem metal11 sehen Werkstoff geleitet werden und die am Kristallgitter des Werkstoffs gestreuten Photonen von einem Detektor erfaßt werden, wobei aus der erfaßten Breite der Bragg-Reflexe und/oder dem gemessenen Winkel die Eigenspannungen herleitbar sind.The The invention relates to a method for the analysis of residual stresses in metallic materials where high-energy photons to be directed to a target from the metal11 material and the scattered at the crystal lattice of the material photons of a Detected detector being taken from the detected Width of the Bragg reflections and / or the measured angle the residual stresses are derivable.

Insbesondere im Zuge der Werkstofftechnik sind die dem metallischen Werkstoff immanenten Eigenspannungen, ob nun in der kristallinen Struktur des Werkstoffs selbst oder bspw. bei Schweißnähten, die metallische Werkstücke bzw. Werkstoffe verbinden, von außerordentlich hohem wissenschaftlichen und praktischem Interesse für Haltbarkeitsaussagen in bezug auf Wärmebeeinflussung und/oder Verformung des Werkstoffs unter Last. Eigenspannungen sind innere Kräfte und Momente im Werkstoff, die Eigenschaftsänderungen, insbesondere im oberflächennahen Bereich, bewirken können. Eigenspannungen sind grundsätzlich statisch wirkende mehrachsige Spannungen, die vielfach den gleichen Richtungscharakter wie bspw. Hauptlastspannungen aufweisen. Eigenspannungen werden in Eigenspannungen 1., 2. und 3. Ordnung aufgeteilt. Je nach Größe der Werkstoffbereiche können die resultierenden Eigenspannungshöchstwerte als eine Überlagerung von Eigenspannungen erster und höherer Ordnung abgefaßt werden. Es ist bekannt, daß in einem heterogenen Metallgefüge die Maximalwerte der Eigenspannungen ein Mehrfaches der Eigenspannungen 1. Ordnung erreichen können. Die Entstehungsursachen der Eigenspannungen können entsprechend der drei Hauptgruppen werkstoff-, fertigungs- und beanspruchungsbedingt sein.Especially in the course of materials technology are the metallic material immanent residual stresses, whether in the crystalline structure of the Material itself or, for example, in welds, the metallic workpieces or Materials combine, of extraordinary high scientific and practical interest for durability statements in relating to heat influence and / or deformation of the material under load. Residual stresses are internal forces and moments in the material, the property changes, especially in shallow Area, can effect. Residual stresses are basically statically acting multiaxial stresses that are often the same Directional character as, for example, have main load voltages. Residual stresses are divided into residual stresses of 1st, 2nd and 3rd order. Depending on Size of the material areas can the resulting residual stresses as a superposition of Residual stresses of first and higher Order drafted become. It is known that in a heterogeneous metal structure the maximum values of the residual stresses are a multiple of the residual stresses 1. Can achieve order. The origin of the residual stresses can according to the three Main groups material, manufacturing and stress-related.

Es ist deshalb für wissenschaftliche, technologische und praktische Fragestellungen von außerordentlicher Wichtigkeit, genauen Aufschluß Über die Eigenspannungen in metallischen Werkstoffen zu bekommen.It is therefore for scientific, technological and practical issues of extraordinary Importance, precise information about the residual stresses to get into metallic materials.

Eigenspannungsuntersuchungen von metallischen Werkstoffen wurden bis in die jüngste Zeit herein u.a. mittels Neutronen durchgeführt, und zwar mittels sog. thermischer Neutronen mit Wellenlängen zwischen ca. 0,1 nm und 0, 3 nm. Bei den Neutronenstreuuntersuchungen können für die jeweilige Messung Streuwinkel von ca. 90° eingestellt werden, was zu in etwa gleich breiten und gleich tiefen Streuvolumina führt. Neutronenstreuuntersuchungen werden bei Neutronenstrahlquerschnitten von typischerweise 0,5 mm × 20 mm bis ca. 2 mm × 50 mm durchgeführt. Die systembedingten großen Neutronenstrahlquerschnitte haben den Nachteil, daß Veränderungen von Eigenschaften in Werkstücken, bspw. über eine Schweißnaht hinweg, senkrecht zur Strahlrichtung, mittels Neutronen eine geeignete Ortsauflösung nur bedingt zulassen. Zudem muß für derartige Untersuchungen eine geeignete Neutronenquelle in Form eines Reaktors zur Verfügung stehen, was neben dem eigentlichen Reaktor auch ein hohes Maß an Sicherungs- und Sicherheitsmaßnahmen zur Folge hat.Residual stress investigations of metallic materials have been used up until very recently. by means of Neutrons performed, by means of so-called thermal neutrons with wavelengths between about 0.1 nm and 0, 3 nm. In neutron scattering investigations can for the respective measurement Spreading angle of about 90 ° set which results in roughly equal and equally low scattering volumes leads. Neutron scattering studies are used for neutron beam cross sections typically 0.5mm x 20 mm to about 2 mm × 50 mm performed. The systemic big Neutron beam cross-sections have the disadvantage that changes of properties in workpieces, for example, about a weld away, perpendicular to the beam direction, by means of neutrons a suitable spatial resolution only conditionally allow. In addition, must for such Investigations of a suitable neutron source in the form of a reactor to disposal which, in addition to the actual reactor, also requires a high level of and security measures entails.

Seit wenigen Jahren wird hochenergetische Synchrotronstrahlung, das sind bspw. Photonen mit einer Energie von ca. 40 keV und einigen 100 keV, für Eigenspannungsuntersuchungen genutzt (u.a. am HASYLAB (DESY/Hamburg) und an der ESRF (Grenoble)). Die hochenergetische Synchrotronstrahlung durchdringt bei nur geringen Verlusten metallische Werkstoffe von bis zu einigen Zentimetern Dicke, bspw. Aluminium- und Titanlegierungen. Eigenspannungsuntersuchungen von metallischen Werkstoffen mit Synchrotronstrahlung zeichnen sich gegenüber Untersuchungen mittels Neutronen dadurch aus, daß die Messungen sich mit einem wesentlichen feineren Meßstrahl durchführen lassen, wobei typische Werte eines Photonenstrahl quer-Schnittes bspw. 10 μm × 10 μm bis 50 μm × 100 μm sind. Dadurch können Veränderungen der Eigenspannungen in Werkstoffen, senkrecht zur Strahlrichtung und bspw. über eine Schweißnaht hinweg, mittels hochenergetischer Photonen mit sehr viel feinerer Ortsauflösung als mit Neutronen bestimmt werden. Ein Nachteil bei der Ermittlung von Eigenspannungen in metallischen Werkstoffen mittels hochenergetischer Photonen ist allerdings, daß dabei nur sehr kleine Streuwinkel auftreten, die zu einer sehr gestreckten Ausdehnung der Streuvolumina führen und somit zu einer wesentlich schlechteren Auflösung der Eigenspannungsverteilung in Strahl rich-tung als senkrecht dazu. Das Streuvolumen (gauge-volume), das so als Teil des Target- bzw. Probenvolumens bezeichnet wird, ist das Volumen, aus dem heraus bei der jeweils vorgegebenen Anordnung von Primärstrahl und Blenden Photonen in den Detektor gelangen können.since In a few years, high-energy synchrotron radiation will be For example, photons with an energy of about 40 keV and some 100 keV, for residual stress tests used (inter alia, at HASYLAB (DESY / Hamburg) and at the ESRF (Grenoble)). The high-energy synchrotron radiation penetrates at low levels Losses metallic materials of up to a few centimeters thick, For example. Aluminum and Titanium alloys. Residual stress investigations of metallic materials with synchrotron radiation are distinguished from investigations by means of Neutrons characterized in that the Measurements with a substantially finer measuring beam carry out Let typical values of a photon beam cross-section For example, 10 .mu.m.times.10 .mu.m to 50 .mu.m.times.100 .mu.m are. Thereby can changes the residual stresses in materials, perpendicular to the beam direction and, for example, about a weld away, using high-energy photons with much finer ones spatial resolution as determined by neutrons. A disadvantage in the investigation of residual stresses in metallic materials by means of high-energy Photons, however, is that included Only very small scattering angles occur, resulting in a very stretched Extension of the scattering volume lead and thus to a much poorer resolution of the residual stress distribution in beam direction than perpendicular to it. The gauge volume, so as part of the target or Sample volume is the volume from which out at the given arrangement of primary beam and aperture photons can get into the detector.

Das Streuvolumen wird bei Untersuchungen zur Ermittlung der Eigenspannungen metallischer Werkstoffe mittels hochenergetischer Photonen mit Blenden vor dem Werkstofftarget und hinter dem Werkstofftarget eingegrenzt, und zwar zur Begrenzung des Primärstrahls und zur Begrenzung der Divergenz des reflektierten Strahls und zur Lokalisierung des Streuvolumens, Dabei hat sich gezeigt, daß bei 111-Gitterreflexen von reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als Target bei Messungen mit 100 keV Photonen ein mittlerer Streuwinkel von ungefähr 6° auftritt und bei einer typisch gewählten Blendenbreite von 30 μm und bei Experimenten dieser Art typischen Blendenabstanden von 260 und 1.160 mm hinter dem Target ein typisches Streuvolumen von 0,68 mm erhalten wird. Dieses für Experimente mit hochenergetischen Photonen typische Streuverhalten zeigt, daß die Länge des Streuvolumens die Strahlbreite um mehr als eine Größenordnung übertrifft. Diese Auflösung ist für viele wissenschaftliche und technologische Fragestellungen nicht ausreichend.The scattering volume is limited in investigations to determine the internal stresses of metallic materials by means of high-energy photons with diaphragms in front of the material target and behind the material target, namely for limiting the primary beam and for limiting the divergence of the reflected beam and for localizing the scattering volume. for 111 grating reflections of pure aluminum or an aluminum alloy as the target for measurements with 100 keV photons, an average scattering angle of approximately 6 ° occurs and at a typical chosen aperture width of 30 μm and in experiments of this kind typical aperture distances of 260 and 1,160 mm behind the Target a typical scatter volume of 0.68 mm. This scattering behavior, which is typical for experiments with high-energy photons, shows that the length of the scattering volume exceeds the beam width by more than an order of magnitude. This resolution is not sufficient for many scientific and technological questions.

Aus H.-R. Lee et al., X-ray microdiffraction studies to measure strain fields in a metal matrix composite, Rev. Sci. Instr. Vol. 70, No. 1, Jan 1999, p. 175–177 ist ein Verfahren zur Analyse von Eigenspannungen in Werkstoffen bekannt, bei dem hochenergetische Photonen auf ein Target geleitet und die am Kristallgitter des Werkstoffs gestreuten Photonen von einem Detektor erfaßt werden und daraus die Eigenspannungen herleitbar sind. Dabei ist das Streuvolumen der hochenergetischen Photonen durch die Strahlquerschnitte bis zu 1μm × 1μm sehr stark eingeschränkt.Out MR. Lee et al., X-ray microdiffraction studies to measure strain fields in a metal matrix composite, Rev. Sci. Instr. Vol. 70, no. 1, Jan 1999, p. 175-177 is a method for analyzing residual stresses in materials known in which high-energy photons are directed to a target and the photons of the material scattered at the crystal lattice of detected a detector and from this the residual stresses can be deduced. It is the scattering volume of the high-energy photons through the beam cross-sections up to 1μm × 1μm very strong limited.

Auch die Druckschriften A. Iida et al., Kirkpatrick-Baez optics for a sub-μm synchrotron X-ray microbeam and its applications to X-ray analysis, Nucl. Instr. And Meth. In Phys, Res. B 114(1996) 149–153 und E. Lifshin (Ed.), X-ray Characterization of Materials, Wiley-VCH, Weinheim-New York 1999, p 37–39, zeigen vergleichbare Verfahren ermöglichende Einrichtungen.Also The references A. Iida et al., Kirkpatrick-Baez optics for a sub-μm synchrotron X-ray microbeam and its applications to X-ray analysis, Nucl. Instr. And Meth. In Phys, Res. B 114 (1996) 149-153 and E. Lifshin (Ed.), X-ray Characterization of Materials, Wiley-VCH, Weinheim-New York 1999, p 37-39 allow comparable procedures Institutions.

Die WO 00/54073 A1 offenbart, daß es auf dem Fachgebiet der Röntgenuntersuchung einschlägig auch bei kleinen Strahlquerschnitten bekannt war, auch den ausfallenden, gestreuten Strahl durch Blenden zu begrenzen und so das untersuchte Streuvolumen auch in Strahlrichtung einzuschränken.The WO 00/54073 A1 discloses that it in the field of X-ray examination relevant was also known for small beam cross sections, including the failing, To limit scattered beam by aperture and so the examined scattering volume also restrict in beam direction.

Schließlich erwähnen A. Iida et al. in Micro X-ray diffraction technique for analysisof the local structure in the ferroelectric liquid crystal, in Rev.Sci.Instrum.66(2), Feb. 1995, p.1373–1375, daß das Target bei der Untersuchung gedreht und daß Monochromatoren eingesetzt werden können.Finally mention A. Iida et al. in Micro X-ray diffraction technique for analysis the local structure in the ferroelectric liquid crystal, Rev.Sci.Instrum.66 (2), Feb. 1995, p.1373-1375, that this Target shot during the investigation and that monochromators used can be.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß eine sehr viel bessere Auflösung als bisher erreicht wird und Veränderungen von Eigenspannungen wesentlich feiner als bisher möglich ermittelt werden können und eine wesentliche Verbesserung der Unterscheidung zwischen Eigenspannungen der ersten, zweiten und dritten Art möglich ist, zudem auch eine Variation der Textur in kleinen Target- bzw. Probenbereichen erfaßt werden und das Verfahren im wesentlichen auf der Grundlage bisheriger Messungen dieser Art mittels hochenergetischer Photonen durchgeführt werden kann.It is therefore an object of the present invention, a method of the aforementioned type such that a much better resolution than achieved so far and changes determined by residual stresses much finer than previously possible can be and a substantial improvement in the distinction between residual stresses the first, second and third kind is possible, also one Variation of the texture can be detected in small target or sample areas and the method based essentially on previous measurements of this kind are carried out by means of high-energy photons can.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit Merkmalen des Patentanspruchs 1.Is solved the object by a method having features of the claim 1.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht im wesentlichen darin, daß durch die Einschränkung des Streuvolumens der hochenergetischen Photonen im Vergleich zu bisherigen, im Stand der Technik bekannten Streugeometrien eine wesentlich verbesserte Lokalisierung des Streuvolumens selbst erreicht wird, d.h. der einzelne Kristallit kann in Strahlrichtung mit einer Genauigkeit von < 0,1 mm lokalisiert werden. Auch die Breite der Bragg-Reflexe kann somit sehr viel genauer als bisher bestimmt werden, so daß unter Ausnutzung des Verfahrens völlig neue Perspektiven für Eigenspannungsanalysen metallischer Werkstoffe möglich sind. Die Analysen werden präziser und von höherer Qualität, da zwischen Eigenspannungen verschiedenen Grades unterschieden werden kann.Of the Advantage of the solution according to the invention exists essentially in that by the restriction the scattering volume of high-energy photons compared to Previous, known in the art scattering geometries a achieved much improved localization of the scattering volume itself is, i. the single crystallite can in the beam direction with a Accuracy of <0.1 mm are localized. The width of the Bragg reflexes can thus much more accurate than previously determined, so that under Utilization of the procedure completely new perspectives for Residual stress analyzes of metallic materials are possible. The analyzes will be more precise and from higher Quality, since a distinction is made between residual stresses of different degrees can.

Mittels des gattungsgemSßen Verfahrens durchgeführte Analysen unterliegen außer den eingangs aufgeführten Einschränkungen aufgrund der bis dahin genutzten Streugeometrie mit den sich daraus ergebenden Beschränkungen und Nachteilen noch einer weiteren Einschränkung, nämlich hinreichend viele Kristallite im Target in vertretbarer Meßzeit mit geeigneter Orientierung ausfindig zu machen. Um auch diesen Nachteil zu beheben, wird in den Strahlengang der am Target reflektierten Photonen und dem ortsempfindlichen Detektor eine als Ringblende ausgebildete Blende angeordnet.through of the generic type Procedure performed Analyzes are excepted the initially mentioned restrictions due to the previously used scattering geometry with the resulting resulting restrictions and disadvantages of yet another limitation, namely, sufficient crystallites in the target in a reasonable measuring time to locate with appropriate orientation. To this one too Disadvantage to fix, is reflected in the beam path of the target Photons and the location-sensitive detector as a ring aperture trained aperture arranged.

Dabei werden die durch die ringförmige Blende hindurchgetretenen Photonen mit einem ortsempfindlichen Flächendetektor nachgewiesen, so daß durch beide Maßnahmen, nämlich den Detektor als ortsempfindlichen Flächendetektor auszubilden und die Blende als Ringblende auszubilden, eine Rastermessung (Scan) dann durch eine Verschiebung (Scan) des Blendensystems in Strahlrichtung (X-Richtung) durchgeführt werden kann, wobei auf diese Weise nahezu alle Reflexe in einem länglichen Streuvolumen, dessen Querschnitt dem des „gauge-volume" entspricht, auf dem Detektor nachgewiesen werden können.there be through the annular Aperture of transmitted photons with a spatially sensitive area detector proved, so that by both measures, namely form the detector as a position-sensitive area detector and the Aperture form as a ring diaphragm, then a grid measurement (scan) by a shift (scan) of the diaphragm system in the beam direction (X-direction) carried out in this way, almost all the reflexes in one elongated litter volume, whose cross section corresponds to that of the "gauge volume" on can be detected by the detector.

Grundsätzlich können schließlich auf zwei unterschiedliche Weisen sämtliche Kristallite im Streuvolumen in Reflexposition gebracht und somit bestimmt werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, das Target relativ zur Strahlenachse der hochenergetischen Photonen in wenigstens einem Freiheitsgrad zur Erfüllung der Beugungsbedingungen zur Erfassung der Bragg-Reflexe zu drehen, wobei dann von allen Kristalliten einige Reflexe kurzzeitig so orientiert werden, daß sie die Beugungsbedingungen erfüllen und zu einem Reflex auf dem jeweiligen Debye-Scherrer-Ring beitragen. Bei der Drehung des Targets wird das Streuvolumen innerhalb der Probe mitgedreht. Alle Kristallite in einem zuvor festgelegten Teilvolumen in der Probe werden erfaßt, indem viele Messungen rasterartig hintereinander durchgeführt werden und von Rastermessung zu Rastermessung das Target in der zum Primärstrahl und zur Rotationsachse senkrechten Richtung um eine Distanz verschoben wird, die in etwa der Breite und dem Durchmesser des Primärstrahls entspricht.In principle, all crystallites in the scattering volume can finally be brought into reflex position in two different ways and thus determined. It may be advantageous to rotate the target relative to the beam axis of the high-energy photons in at least one degree of freedom to meet the diffraction conditions for detecting the Bragg reflections, then of all crystallites some reflections are briefly oriented so that they meet the diffraction conditions and to contribute to a reflex on the respective Debye-Scherrer-Ring. As the target rotates, the scattering volume within the sample becomes rotated. All crystallites in a predetermined sub-volume in the sample are detected by performing many measurements in a raster pattern and moving the target in the direction perpendicular to the primary beam and the axis of rotation by a distance of approximately the width and the diameter from raster measurement to raster measurement of the primary beam corresponds.

Die andere Art, die Kristallite im Streuvolumen in Reflex position zu bringen, ist die, daß vorteilhafterweise die Analyse der Eigenspannungen bei unterschiedlichen Energien des hochenergetischen Photonenstrahls durchgeführt wird. Dies ist gleichbedeutend damit, daß die Analyse der Eigenspannungen bei unterschiedlichen Wellenlängen der Photonen des hochenergetischen Photonenstrahls durchgeführt wird. Diese beiden Varianten werden vorzugsweise bei hochenergetischen Photonen eingesetzt, die bspw. durch Synchrotronstrahlung bei Elementarteilchenbeschleunigern (DESY, CERN) erzeugt werden. Eine kontinuierliche Veränderung der Energie oder der Wellenlänge λ des Primärstrahls erfordert keine Rotation des Targets. An einer solchen Einrichtung zur Erzeugung hochenergetischer Photonen kann eine λ-Rastermessung durchgeführt werden. Dabei wird λ kontinuierlich verändert. Auf diese Weise können viele Kristallite im Streuvolumen kurzzeitig zu einem oder mehreren Reflexen angeregt werden, wenn die λ-Rastermessung einen hinreichend großen Bereich abdeckt.The another way to position the crystallites in the scattering volume in reflex position bring that is that beneficial the analysis of the residual stresses at different energies of the high-energy photon beam is performed. This is synonymous with that the Analysis of residual stresses at different wavelengths Photons of the high-energy photon beam is performed. These two variants are preferably high-energy Photons used, for example, by synchrotron radiation at elementary particle accelerators (DESY, CERN). A continuous change the energy or the wavelength λ of the primary beam does not require rotation of the target. At such a facility For generating high-energy photons, a λ-grid measurement carried out become. At this time, λ becomes continuous changed. That way you can many crystallites in the litter volume briefly to one or more Reflections are excited when the λ-grid measurement a sufficiently large area covers.

Das Verfahren wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten schematisehen Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Darin zeigen:The The method will now be described with reference to the accompanying drawings Drawings using an exemplary embodiment described. Show:

1 eine Streugeometrie, wie sie bisher fdr Eigenspannungsanalysen mittels hochenergetischer Photonen eingesetzt wurde (Stand der Technik). 1 a scattering geometry, as previously used for internal stress analysis by means of high-energy photons (prior art).

2 eine schematische Darstellung der Streugeometrie mittels hochenergetischer Photonen. 2 a schematic representation of the scattering geometry by means of high-energy photons.

3 eine schematische Darstellung von Eigenspannungen 1., 2. und 3. Art (nach Macherauch und Kloos). 3 a schematic representation of residual stresses of the 1st, 2nd and 3rd kind (after Macherauch and Kloos).

4 die Analyse des 111-Reflexes eines Kristalliten in reinem Aluminium bei unterschiedlichen Temperaturen und 4 the analysis of the 111 reflex of a crystallite in pure aluminum at different temperatures and

5 die schematische Darstellung eines Strahlenganges hochenergetischer Synchrotronstrahlung, die für Eigenspannungsmessungen in der Streugeometrie mit Ringblenden und Flächendetektoren eingerichtet ist. 5 the schematic representation of a beam path of high-energy synchrotron radiation, which is set up for residual stress measurements in the scattering geometry with annular apertures and surface detectors.

Es wird zunächst Bezug genommen auf die Darstellung von 1, in der eine Untersuchungs-/Analyseanordnung 10 schematisch dargestellt ist, wie sie bei bisherigen Eigenspannungsanalysen mittels hochenergetischer Photonen 13 verwendet wurde. Mittels einer Blende 15 (A2) wird ein Querschnitt des Strahls hochenergetischer Photonen 13 auf bspw. 10 μm × 10 μm bis ca. 50 μm × 100 μm eingestellt. Im Strahlengang der hochenergetischen Photonen 13 ist ein Target 12 aus einem zu untersuchenden metallischen Werkstoff angeord net. Hinter dem Target 12 ist zur Begrenzung der Divergenz des daran reflektierten Photonenstrahls 19 und zur Lokalisierung des Streuvolumens eine Blende 17 (A3) und in einem möglichst großen Abstand X3 vom Target 12 mit der Breite a3 und eine Blende 16 (A4) in einem möglichst kleinen Abstand X4 vom Target 12 mit einer Breite a4 vorgesehen. Unter der vereinfachten Annahme gleich breiter Blenden (a = a2 = a3 = a4) erhält man in guter Näherung die nachfolgende Bezeichnung für die Länge des Streuvolumens l_gv sowie der Divergenz δ_2θ,sg des durch die Detektorblende 17 hindurchtretenden Photonenstrahls 19. Der hochenergetische Photonenstrahl 13 kann sowohl monochromatisch als auch weiß sein. Der Streuwinkel zwischen den primären hochenergetisehen Photonen 13 und den am Target 12 reflektierten Photonen 19 wird mit 2θsg bezeichnet. Diesen Winkel bildet der Primärstrahl aus hochenergetischen Photonen 13 mit dem an einer Gitterebene, bspw. der 111-Ebene eines metallischen Targets, reflektierten Photonenstrahl 19. Dieser Winkel ist im allgemeinen sehr klein und beträgt bspw. nur ~6° für 100 keV Photonen, wenn diese an einer 111-Ebene einer AlLegierung reflektiert werden,First, reference will be made to the illustration of 1 in which an examination / analysis arrangement 10 is shown schematically, as in previous intrinsic stress analysis by means of high-energy photons 13 has been used. By means of a screen 15 (A2) becomes a cross-section of the beam of high-energy photons 13 adjusted to, for example, 10 .mu.m.times.10 .mu.m to about 50 .mu.m.times.100 .mu.m. In the beam path of the high-energy photons 13 is a target 12 from a metal material to be examined angeord net. Behind the target 12 is to limit the divergence of the reflected photon beam 19 and for locating the scattering volume a shutter 17 (A3) and in the greatest possible distance X3 from the target 12 with the width a3 and an aperture 16 (A4) in the smallest possible distance X4 from the target 12 provided with a width a4. Under the simplified assumption of equally wide apertures (a = a2 = a3 = a4), the following designation for the length of the scattering volume l _gv and the divergence δ _{2θ, sg} of the detector aperture are obtained in a good approximation 17 passing photon beam 19 , The high-energy photon beam 13 can be both monochromatic and white. The scattering angle between the primary high-energy photons 13 and at the target 12 reflected photons 19 is denoted by 2θsg. This angle forms the primary beam of high-energy photons 13 with the photon beam reflected at a lattice plane, for example the 111 plane of a metallic target 19 , This angle is generally very small and is, for example, only ~ 6 ° for 100 keV photons when reflected at a 111 plane of an Al alloy,

Das Zahlenbeispiel δ2θ,sg = 2a/(X3 – X4) und lgv ~ 2a/(2θ) + X4 δ2θ,sg/(2θ)zeigt die bei Experimenten mit hochenergetischen Photonen in der in 1 dargestellten Untersuchungs-/Analyseanordnung 10 auftretenden Dimensionen. Bei Reflexen in der 111-Ebene von reinem Aluminium und einer Al-Legierung tritt bei Messungen von 100 keV-Photonen ein mittlerer Streuwinkel von 2θ ~ 6° auf. Wird eine Blenden breite von a = 30 μm angenommen und wird weiterhin angenommen, daß die Blenden 17 (A3) und 16 (A4) in Abständen von X₃ = 260 mm und X₄ = 1660 mm vom Target 12 entfernt angebracht sind, so erhält man eine Länge des Streuvolumens von l_gv 0, 68 mm.The numerical example δ 2θ, sg = 2a / (X 3 - X 4 ) and l GM ~ 2a / (2θ) + X 4 δ 2θ, sg / (2θ) shows in experiments with high energy photons in the in 1 presented examination / analysis arrangement 10 occurring dimensions. For reflections in the 111 plane of pure aluminum and an Al alloy, measurements of 100 keV photons show a mean scattering angle of 2θ ~ 6 °. If an aperture width of a = 30 microns is assumed and is further assumed that the aperture 17 (A3) and 16 (A4) at intervals of X ₃ = 260 mm and X ₄ = 1660 mm from the target 12 are removed, we obtain a length of the scattering volume of l _gv 0, 68 mm.

Dieses für Untersuchungen mit hochenergetischen Photonen 13 typische Streuverhalten zeigt, daß die Länge des Streuvolumens l_gv die Strahlbreite um mehr als eine Größenordnung übertrifft, d.h., daß im allgemeinen auch bei sehr kleinen Blendenwerten von l_gv < 0,5 mm erreicht werden. Die mit der im Stand der Technik bekannten Untersuchungs-/Analyseanordnung gem. 1 erreichbare Auflösung ist somit für viele wissenschaftliche und technologische Fragestellungen nicht ausreichend.This for studies with high-energy photons 13 typical scattering behavior shows that the length of the scattering volume 1 _gv exceeds the beam width by more than an order of magnitude, ie that in general even with very small aperture values of l _gv <0.5 mm can be achieved. The examination / analysis arrangement known from the state of the art acc. 1 Achievable resolution is therefore not sufficient for many scientific and technological questions.

Bei dem hier vorgestellten Verfahren zur Analyse von Eigenspannungen in metallischen Werkstoffen ist auch die Unterscheidung von Eigenspannungen 1., 2. und 3. Art das Ziel, vgl. auch die Darstellung gem. 3. Vereinfacht formuliert versteht man unter Eigenspannungen

der 1. Art die über im allgemeinen viele Kristallite gemittelten Eigenspannungen, die sich nur über relativ große Distanzen, bspw. über eine Schweißnaht hinweg, verändern,
der 2. Art, die Ober etwa ein Korn gemittelten Spannungen, denn von Korn zu Korn können starke Veränderungen der Spannungswerte auftreten, die an den Rändern von Kristalliten in den meisten Werkstoffen starke Gradienten der mechanischen Eigen schaften auftreten lassen, und
der 3. Art, die nur über Teilbereiche von Kristalliten gemittelten Eigenspannungen, die durch starke Beanspruchung eines Werkstoffs bei seiner Herstellung oder bei seinem Einsatz entstanden sein können oder infolge von Kriechprozessen, die beim Aufbau von Versetzungsnetzwerken stattgefunden haben.Hierdurch wird insbesondere die Winkelbreite der Reflexe beeinträchtigt.

In the method presented here for the analysis of residual stresses in metallic materials, the distinction of residual stresses of the 1st, 2nd and 3rd kind is the goal, cf. also the representation acc. 3 , Simplified formulated is understood as residual stress

the 1st type the average stresses averaged over many crystallites, which only change over relatively large distances, for example over a weld,
of the second kind, the upper one about a grain averaged tensions, because from grain to grain strong changes of the voltage values can occur, which let occur on the edges of crystallites in most materials strong gradients of the mechanical characteristics, and
of the 3rd kind, the residual stresses averaged only over subregions of crystallites, which may have been caused by heavy use of a material during its manufacture or in its use, or as a result of creeping processes which took place in the construction of dislocation networks. Hereby, the angular width of the reflections becomes particular impaired.

Die Unterscheidung von Eigenspannungen 1., 2. und 3. Art ist schwierig, wenn die Untersuchungen bzw. Messungen mit einer Untersuchungs-/Analyseanordnung 10 durchgeführt werden, wie sie vorangehend im Zusammenhang mit 1 beschrieben worden ist. Es werden sich dann nämlich Reflexe unterschiedlicher Kristallite mit jeweils leicht unterschiedlichen Winkeln 2θ und Winkelbreiten δ2θ der Reflexe überlagern und zur gemessenen Intensität im Winkelbereich 2θ_sg – δ_2θsg/2, 2θ_sg + δ_2θsg/2) beitragen.The distinction of residual stresses of the 1st, 2nd and 3rd kind is difficult if the examinations or measurements with an examination / analysis arrangement 10 be carried out as previously related to 1 has been described. In this case, reflections of different crystallites, each with slightly different angles 2θ and angular widths δ2θ of the reflexes, will superimpose and contribute to the measured intensity in the angular range 2θ _sg -δ _2θsg / 2, 2θ _sg + δ _2θsg / 2).

Eine Untersuchungs-/Analyseanordnung 11, welche bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1 verwendet wird, ist in 2 dargestellt, auf die nachfolgend bezug genommen wird. Gleiche Bezugsziffern und sonstige gleiche Angaben in 2 entsprechen denen, die im Zusammenhang mit der Beschreibung von 1 dargelegt worden sind. Da die Separation von Bragg-Reflexen unterschiedlicher Kristallite das eigentliche Ziel zur Bestimmung der Eigenspannungen ist, sei vorausgesetzt, daß die Lage der Kristallite das Innere des Targets 12 sei. Das erfindungsgemäße Verfahren wurde mit einem sehr gut monochromatisierten und hochkolli mierten Strahl hochenergetischer Photonen durchgeführt mit einer Divergenz des Primärstrahls von ~ 10^–5rad. Die Abstände der Blende 16 (A4) und der Blende 17 (A3) vom Target 12 betrugen bei einer Messung X₃ = 260 mm und X₄ = 1,66 m, wobei die Strahlhöhe durch die Blenden 15 (A2) und 17 (A3) vor dem Target auf 0,03 mm und durch die Blende 17 (A3) vor dem Detektor 18 (in 2 nicht dargestellt) auf 1 mm begrenzt wurde. An einer ca. 3 mm dicken Al-Probe als Target 12 wurden Bragg-Reflexe in vier Rastermessungen ermittelt und ausgemessen (Rastermessung = Meßserie = Scan). Dabei gilt, daß jeder Kristallit ein bestimmtes charakteristisches Reflexionsverhalten zeigt.An examination / analysis arrangement 11 , which is used in the method according to claim 1, is in 2 to which reference will now be made. Same reference numbers and other similar information in 2 correspond to those associated with the description of 1 have been set out. Since the separation of Bragg reflections of different crystallites is the actual target for determining the residual stresses, it is assumed that the position of the crystallites is the interior of the target 12 be. The inventive method was carried out with a very well monochromatized and hochkolli-mated beam of high-energy photons with a divergence of the primary beam of ~ 10 ^-5 rad. The distances of the aperture 16 (A4) and the aperture 17 (A3) from the target 12 measured at a measurement X ₃ = 260 mm and X ₄ = 1.66 m, the beam height through the aperture 15 (A2) and 17 (A3) in front of the target to 0.03 mm and through the aperture 17 (A3) in front of the detector 18 (in 2 not shown) was limited to 1 mm. On an approximately 3 mm thick Al sample as a target 12 Bragg reflections were determined and measured in four grid measurements (raster measurement = measurement series = scan). It is true that each crystallite shows a certain characteristic reflection behavior.

Scan-1 wurde durchgeführt, um einen Kristalliten in die Reflexposition zu drehen. Bei diesem Scan war die Targetblende auf ca. 1 mm und die Detektorblende auf ca. 5 mm Breite geöffnet. In Scan-1 wurde das Target 12 um die vertikale ω-Achse um ca. 1° in Schritten von ca. 0,02° gedreht. Dabei wurde i.a. ein ausgeprägtes Reflexmaximum bei einer Winkel – Stellung ω = ω_max gefunden. Der Reflex wird von nur einem (oder wenigen) Kristalliten verursacht, die in Scan-1 in Reflexposition gebracht wurden.Scan-1 was performed to rotate a crystallite to the reflex position. In this scan, the target aperture was opened to about 1 mm and the detector aperture to about 5 mm wide. In Scan-1 the target became 12 rotated about the vertical ω-axis by about 1 ° in steps of about 0.02 °. In general, a pronounced _{maximum of} reflection was found at an angular position ω = ω _max . The reflex is caused by only one (or a few) crystallites, which were put into reflex position in Scan-1.

Im Anschluß an Scan-1 wurde ω = ω_max gesetzt, und die Targetblende 15 (A2) wurde auf eine Breite von a2 ~ 30μm verengt. Dann folgte ein zweiter Scan des Targets 12 in horizontaler Richtung senkrecht zum Primärstrahl (y-Richtung), gescannt wurde der im Scan-1 durchstrahlte Targetbereich 12. Maximale Intensität wurde gefunden, wenn der bei ω = ω_max in Reflexposition stehende Kristallit durchstrahlt wurde, dessen Breite und Lage y₃ = y_3.max wurde bestimmt (in der Regel trat nur ein ausgeprägtes Maximum auf).Following Scan-1, ω = ω _{max was} set, and the target aperture 15 (A2) was narrowed to a width of a2 ~ 30μm. Then a second scan of the target followed 12 In the horizontal direction perpendicular to the primary beam (y-direction), the target area irradiated in the scan 1 was scanned 12 , Maximum intensity was found when the crystallite in reflex position at ω = ω _{max was} irradiated, whose width and position y ₃ = y _3.max was determined (usually only a pronounced maximum occurred).

Dann wurde das Target 12 auf die Position y_S = y_S.max verfahren und die Detektorblende 17 (A3) in horizontaler (y-)Richtung vor dem Detektor gescannt. Auf diese Weise konnten die Lage y₃ = y_3.max und die Breite des Reflexes in der Detektorebene sehr präzise bestimmt werden.Then the target became 12 _move to the position y _S = y _S.max and the detector _aperture 17 (A3) scanned in horizontal (y) direction in front of the detector. In this way, the position y ₃ = y _3.max and the width of the reflection in the detector _plane could be determined very precisely.

Für den letzten Scan wurde die Detektorblende wieder geöffnet, und eine Kante von Blende 16 (A4) wurde durch den Reflex gescannt. Dieser wurde bei y₄ = y_4,50% um 50% geschwächt.For the last scan, the detector aperture was opened again, and one edge of the aperture 16 (A4) was scanned by the reflex. This was weakened by 50% at y ₄ = y _4.50% .

Auf diese Weise wird für den Winkel des Bragg-Reflexes 2θrb ~ tan (2θrb) = (y3.max – y4,50%)/(X3 – X4). Xcryst = X3 – y4,50%/tan(2θ). In this way, for the angle of the Bragg reflex 2θ rb ~ tan (2θ rb ) = (y3.max - y4.50%) / (X 3 - X 4 ). X cryst = X 3 - y 4.50% / Tan (2θ).

Für die Fehler der Bestimmung des Winkels δ_2θrb sowie der Lokalisation des Kristalliten in Strahlrichtung δX_crys erhält man δ2θrb ~ ((δy3,max)2 + (δy4,50%)2)1/2/(X3 – X4) δXcrys ~ ((X4 δ2θrb)2 + (δy4,50%)2)1/2/tan(2θrb) For the errors of the determination of the angle δ _2θrb and the localization of the crystallite in the beam direction δX _crys one obtains δ 2θrb ~ ((δy 3, max ) 2 + (δy 4.50% ) 2 ) 1.2 / (X3 - X4) Ax crys ~ ((X 4 δ 2θrb ) 2 + (δy 4.50% ) 2 ) 1.2 / Tan (2θ rb )

In 4a und 4b sind Beispiele der Scans 3 und 4 aufgeführt, die an dem (111) Reflex eines orientierten Kristalliten in einem reinen Al-Target 12 bei 19°C und 49°C gemessen wurden. Diese Temperaturerhöhung führt zu einer Vergrößerung des Gitterabstandes d um nur δd/d ~ 6.9 × 10^–4. Dennoch wurden sehr ausgeprägte Verschiebungen von y_3,max und y_4,50% gemessen. Die Fehler von y_3,max und y_4,50% wurden im vorliegenden Fall abgeschätzt auf δy_3,max < 0.02 mm und δy_4,50% < 0.01 mm (4a und 4b). Mit diesen Werten erhält man δ_2θrb/(2θ) < 1.5 10^–9 und δX_crys < 0.1 mm (mit X₃ = 260 mm, X₃ – X₄ = 1.4 mm).In 4a and 4b Examples of scans 3 and 4 are given which follow the (111) reflection of an oriented crystallite in a pure Al target 12 at 19 ° C and 49 ° C were measured. This temperature increase leads to an enlargement of the lattice spacing d by only δd / d ~ 6.9 × 10 ^-4 . Nevertheless, very pronounced shifts of y _{3, max} and y _{4.50% were} measured. The errors of y _{3, max} and y _4.50% in the present case were estimated to be δy _{3, max} <0.02 mm and δy _4.50% <0.01 mm ( 4a and 4b ). With these values one obtains δ _2θrb / (2θ) <1.5 10 ^-9 and δX _crys <0.1 mm (with X ₃ = 260 mm, X ₃ - X ₄ = 1.4 mm).

Somit konnte also bei sehr hoher Meßgenauigkeit von δ_2θrb die Position des Kristalliten parallel zur Strahlrichtung wesentlich präziser bestimmt werden (δX_crys < 0.1 mm) als dies in der konventionellen Streugeometrie der Fall ist, dort stimmt die Genauigkeit der Lokalisierung in Strahlrichtung mit der der Länge des Streuvolumens überein (l_gv ~ 1 mm).Thus, with very high measurement accuracy of δ _2θrb, the position of the crystallite parallel to the beam direction could be determined much more precisely (δX _crys <0.1 mm) than is the case in conventional scattering geometry, where the accuracy of the localization in beam direction is correct of the scattering volume (l _gv ~ 1 mm).

Eine Einschränkung von Analysen, die mit der Untersuchungs-/Analysenanordnung 10 gem. 1 durchgeführt werden, ergibt sich noch daraus, hinreichend viele Kristallite in vertretbarer Meßzeit mit geeigneter Orientierung ausfindig machen zu können.A limitation of analyzes with the investigation / analysis arrangement 10 gem. 1 be carried out, it still results from being able to find sufficiently many crystallites in a reasonable measurement time with appropriate orientation.

Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1 wird die Blende 16 (A4) durch eine ringförmige Blende gebildet und die durch sie hindurchgetretenen Photonen, d.h. die des reflektierten Photonenstrahls 19, werden auf einen ortsempfindlichen Flächendetektor gegeben. Die o.e. Rastermessung (Scan 4), vgl. 2, wird dann durch eine Rastermessung (Scan) des Blendensystems in Strahlrichtung (x-Richtung) ersetzt. Auf diese Weise werden nahezu alle Reflexe aus einem länglichen Streuvolumen, dessen Querschnitt dem des Streuvolumens 14 von 1 entspricht, auf dem Detektor 18 nachgewiesen. Es können schließlich auf zwei unterschiedliche Weisen sämtliche Kristallite im Streuvolumen 14 in Reflexposition gebracht werden.In the method according to claim 1, the aperture 16 (A4) formed by an annular aperture and the photons passed through them, ie that of the reflected photon beam 19 are given to a location-sensitive area detector. The above grid measurement (scan 4), cf. 2 , is then replaced by a raster measurement (scan) of the diaphragm system in the beam direction (x-direction). In this way, almost all reflections from an elongated scattering volume whose cross-section that of the scattering volume 14 from 1 corresponds to, on the detector 18 demonstrated. Finally, in two different ways all crystallites can be in the scattering volume 14 be brought into reflex position.

Die Probe wird um eine oder mehrere Achsen gedreht (bspw.ω, 2). Dann werden Kristallebenen in allen oder fast allen Kristalliten kurzzeitig so orientiert, daß sie die Beugungsbedingungen erfüllen und zu einem Reflex auf dem jeweiligen Debye-Scherrer-Ring beitragen. Bei der Drehung des Targets 12 wird das Streuvolumen 14 innerhalb des Targets 12 mitgedreht. Alle Kristallite in einem zuvor festgelegten Teilvolumen des Targets 12 werden schließlich erfaßt, indem viele Rastermessungen hintereinander durchgeführt werden und von Rastermessung zu Rastermessung das Target 12 in der zum Primärstrahl 13 und zur Rotationsachse senkrechten Richtung um eine Distanz verschoben wird, die in etwa der Breite oder dem Durchmesser des Primärstrahls 13 entspricht.The sample is rotated about one or more axes (eg, ω, 2 ). Then crystal planes in all or almost all crystallites are briefly oriented so that they meet the diffraction conditions and contribute to a reflex on the respective Debye-Scherrer ring. During the rotation of the target 12 becomes the scatter volume 14 within the target 12 rotated. All crystallites in a predetermined partial volume of the target 12 are finally detected by performing many raster measurements one after the other and from raster measurement to raster measurement of the target 12 in the to the primary beam 13 and the direction perpendicular to the axis of rotation is shifted by a distance which is approximately the width or the diameter of the primary beam 13 equivalent.

In einer Einrichtung, die hochenergetische Synchrotron-Strahlung erzeugt und die eine kontinuierliche Veränderung der Energie oder der Wellenlänge λ des Primärstrahls 13 ermöglicht, kann auch eine λ-Rastermessung durchgeführt werden. Dabei wird λ kontinuierlich verändert, wobei auf diese Weise viele Kristallite im Streuvolumen 14 kurzzeitig zu einem oder mehreren Reflexen angeregt werden, wenn die λ-Rastermessung einen hinreichend großen Bereich abdeckt.In a device that generates high-energy synchrotron radiation and that continuously changes the energy or wavelength λ of the primary beam 13 allows, a λ-grid measurement can be performed. In this case, λ is changed continuously, in which way many crystallites in the scattering volume 14 be briefly stimulated to one or more reflections, when the λ-grid measurement covers a sufficiently large area.

Bei beiden vorangehend dargestellten Messungen müssen Streuintensitäten bei sehr vielen Targetpositionen gemessen werden. Dieses ist auch durchführbar, da für jede Einzelmessung nur kurze Meßzeiten von jeweils 1 s Dauer erforderlich sind. Dieses erfordert allerdings zur optimalen Verfahrensführung den Einsatz von ortsempfindlichen Flächendetektoren, die in weniger als 1 s ausgelesen werden können, Dazu werden sog. Gasdetektoren (Vieldrahtkammern oder Micro-Strip-Proportionalzähler) mit einem nachgeschalteten Datenerfassungssystem vorgeschlagen. Eine solche Meßanordnung ermöglicht die Durchführung kontinuierlicher Rastermessungen, bei denen z.B. das Target 12 um die schon erwähnte ω-Achse hinreichend langsam, aber mit konstanter Geschwindigkeit, gedreht wird. Während der Drehung liefert die Verstelleinheit ein oder mehrere Signale an das erwähnte Datenerfassungssystem, so daß dieses in die Lage versetzt wird, die an Orten (y_i, z_i) nachgewiesenen Photonen einem Intervall δω_i = (ω_i – δω, ω_i + δω) zuzuordnen. Die Intervalle δωi und die Rotationsgeschwindigkeit, werden vor der Messung so festgelegt, daß die Veränderung der Streuintensität mit hinreichender Auflösung und ausreichender Intensität erfaßt wird. Rastermessungen können auch für Blendenparameter auf analoge Weise durchgeführt werden. Mittels der als Gasdetektoren ausgebildeten Detektoren ist zudem die Möglichkeit einer Energiediskriminierung geschaffen worden, was bei den bisherigen sog. Image-Plate- und CCD-Systemen als Detektoren 18 nicht möglich war. Mit dem Einsatz von Gasdetektoren können Photonen höherer Ordnung und solche diskriminiert werden, die über die Compton-Streuung Energie verloren haben, gegenüber solchen, die rein elastisch gestreut worden sind.In both of the above measurements, scattering intensities must be measured at a very large number of target positions. This is also feasible because only short measurement times of 1 s duration are required for each individual measurement. However, this requires the use of location-sensitive area detectors for optimal process control, which can be read in less than 1 s, this are so-called. Gas detectors (multi-wire chambers or micro-strip proportional counter) proposed with a downstream data acquisition system. Such a measuring arrangement makes it possible to carry out continuous grid measurements in which, for example, the target 12 to the already mentioned ω-axis sufficiently slowly, but at a constant speed, is rotated. During rotation, the adjustment unit provides one or more signals to the aforementioned data acquisition system enabling it to detect the photons detected at locations (y _i , z _i ) at an interval δω _i = (ω _i -δω, ω _i + δω). The intervals δωi and the rotation speed are set before the measurement so that the variation of the scattering intensity is detected with sufficient resolution and sufficient intensity. Raster measurements can also be made for aperture parameters in an analogous way. By means of detectors designed as gas detectors, the possibility of energy discrimination has also been created, which in the case of the previous so-called image-plate and CCD systems as detectors 18 was not possible. The use of gas detectors can discriminate higher-order photons and those that have lost energy through Compton scattering compared to those that have been dispersed purely elastically.

Durch die in Form von Gasdetektoren ausgebildeten Detektoren 18 eröffnet sich eine weitere Möglichkeit der Anwendung des Verfahrens zur Analyse von Eigenspannungen. Es sind somit z.B. stroboskopische Messungen möglich, die für in-situ Analysen an bewegten Komponenten durchgeführt werden können. So ist es verstellbar, unter Belastung in laufenden Maschinen (z.B. Motoren, Turbinenschaufeln) auftretende Eigenspannungen zu analysieren. Bei solchen Messungen liefert das rotierende System ein Signal an ein Datenerfassungssystem, wenn eine bestimmte Stellung durchlaufen ist. Das Datenerfassungssystem kann kleinste Zeitintervalle von ~ 1 μs erfassen, so daß auch bei schnell laufenden Systemen die Position der zu untersuchenden Komponenten sehr genau bekannt ist. Aus der in vielen Durchläufen aufintegrierten Streuintensität werden dann die Eigenspannungen in Abhängigkeit vom Ort der bewegten Komponente bestimmt. So könnte bspw. eine Turbinenschaufel in Höhe ihres Fußes durchstrahlt werden. Der Fuß bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit durch den Strahl, wobei eine schnelle Datenerfassung dabei eine schnelle Rastermessung ermöglicht. In einem Umlauf wird die gemessene Intensität für eine Interpretation nicht ausreichen, da In dieser Zeit im allgemeinen nur eine Meßzeit von δτ ≪ 1 ms pro Volumenelement im Fuß zur Verfügung steht. Die Aufintegration vieler Rastermessungen über längere Zeit ermöglicht schließlich verläßliche Eigenspannungsanalysen.By the trained in the form of gas detectors detectors 18 opens up a further possibility of applying the method for the analysis of residual stresses. Thus, for example, stroboscopic measurements are possible, which can be carried out for in-situ analyzes on moving components. It is thus possible to analyze residual stresses occurring under load in running machines (eg engines, turbine blades). In such measurements, the rotating system provides a signal to a data acquisition system when a particular position has been traversed. The data detection ungssystem system can detect the smallest time intervals of ~ 1 μs, so that even with fast-running systems, the position of the components to be examined is known very accurately. From the scattered intensity integrated into many passes, the residual stresses are then determined as a function of the location of the moving component. Thus, for example, a turbine blade could be irradiated at the level of her foot. The foot travels at high speed through the beam, with fast data acquisition enabling fast raster measurement. In one round, the measured intensity will not be sufficient for an interpretation, since in this time generally only a measuring time of δτ "1 ms per volume element in the foot is available. The integration of many raster measurements over a long time finally allows reliable residual stress analyzes.

Claims

Method for the analysis of residual stresses in metallic materials, in which high-energy photons are directed to a target of a metallic material and the photons scattered at the crystal lattice of the material are detected by a detector, wherein the detected width of the Bragg reflections and / or the measured Angle the residual stresses are derivable, characterized in that the scattering volume of the high-energy photons is limited so that a separation of single crystals of the metallic material is made possible by in the beam path of the photon reflected at the target in front of the detector formed as a spatially sensitive area detector as a Ring aperture formed aperture is inserted, wherein the area detector is designed in the form of a gas detector.

Method according to claim 1, characterized in that that this Target relative to the beam axis of the high-energy photons in at least one degree of freedom to satisfy the diffraction conditions is rotated to detect the Bragg reflexes.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the Analysis of residual stresses at different wavelengths Photons of the high-energy photon beam is performed.

Method according to claim 3, characterized that to Analysis of residual stresses the wavelength change is continuous.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized that the for the analysis of the residual stresses carried out measurement in the manner of a Raster measurement (scan or measurement series) especially on rapidly rotating components, in particular turbine blades, Engines or engine parts is performed.