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Vorrichtung zum Ermitteln von inneren Spannungen nach dem Röntgenrückstrahlverfahren
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln von inneren Spannungen nach
dem Röntgenrückstrahlverfahren, bei welcher der ein divergentes Strahlenbündel erzeugende
Brennfleck der Röntgenröhre als Eintrittsspalt dient und der Strahlendetektor mittels
eines Gestänges selbsttätig längs des Fokussierungskreises bewegt wird.
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Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen, mit denen sich zumindest
annähernd die inneren elastin schen Spannungen von Maschinen-, Bau- oder Konstruktionselementen
als Unterlage für deren Bereich nung und wirtschaftliche Bemessung ermitteln lassen,
beruhen auf der Elastizitätstheorie, nach welcher die Deformation des Materials
der Spannung proportional ist. Hierbei werden durch Imechanische Eingriffe, womit
meistens eine Zerstörung oder Beschädigung des Werkstückes verbunden ist, die inneren
Spannungen ermittelt. Die tensometrischen Methoden bestimmer lediglich die zusätzlichen
Spannungen, welche durch äußere Kräfte bewirkt werden, können jedoch nicht die ursprünglichen
Restspannungen ermitteln, die durch die technologische Bearbeitung des Werkstücks
bei der Herstellung entstehen und dauernd im Werkstück bleiben, selbst wenn der
Bestandteil nicht durch äußere Kräfte belastet wird.
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Bessere Ergebnisse werden durch Methoden erzielt, welche die am Atomgitter
erzeugten Interferenzen von Röntgenstrahlen ausnutzen und mittels deren sich die
gesamten inneren Spannungen aus den Deformationen dieses Gitters ohne Zerstörung
des Prüft körpers bestimmen lassen. Diese Methoden sind genau, doch ist die Messung
mühsam und langwierig und erfordert kostspielige Einrichtungen und erfahrene Fachleute.
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Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines einfachen und billigen
Gerätes, mit dem ein eingeschulter Arbeiter die inneren Spannungen im Material schnell
und ohne Durchführung komplizierter Operationen und Berechnungen bestimrnen kann.
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Die grundlegende Beziehung für die Bestimmung der tangentialen Komponente
der inneren Spannung a auf der Oberfläche eines Prüfkörpers wird durch die bekannte
Gleichung E . 1 . dç, - d#2 # = ï + v sin2wlsin2w2 do (l) ausgedrückt, in welcher
bedeutet E den Youngschen Elastizitätsmodul, v die Poissonkonstante der Querkontraktion,
X und 92 die Winkel zwischen den Normalen der interferierenden Systeme der Gitterebenen
und
der Normalen zur Probenoberfläche, d#1 - d0 , d#2 - d0 do do die relative minderung
des Abstandes der interferierenden Gitterebenen unter Einwirkung der inneren Spannung
a, do den Gitterabstand im Werkstoff ohne innere Spannung.
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Sind der Elastizitätsmodul und die Poissonkonstante des zu prüfenden
Werkstoffes bekannt, dann müssen für die Ermittlung der inneren Spannung die Winkel
#1 und 92 und die Deformationen der Gitterabstände m den Richtungen nul und 2 bestimmt
werden. Diese Werte werden aus der Lage der entstandenen Interferenzen an den entsprechenden
Gitterebenen bestimmt, welche entweder auf einem Film aufgezeichnet werden, auf
welchem die Entfernungen ausgemessen werden, oder mit einem sonstigen Detektor für
Röntgenstrahlen, z. B. Geiger-Müller-Zähler, Szintillationszähler, ermittelt werden.
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Alle röntgenografischen Methoden beruhen demnach auf der genauen Ermittlung
der Entfernungen der Gitterebenen, welche aus dem Interferenzwinkel28 (Fig. 1) nach
der Braggschen Bedingung für die Entstehung
der Interferenz A cos
# = 2 d (2) bestimmt werden, wobei A die Wellenlänge der intern ferierenden Strahlung
bedeutet.
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Erfindungsgemäß ist auf einem AIm, welcher um einen an der Röntgenröhre
bRestigten Zapfen schwenkbar gelagert ist, dessen geometrische Achse durch den Brennfleck
der Röntgenröhre hindurchgeht, ein Detektor befestigt, dessen Achse senkrecht zum
Arm und parallel zu einem zweiten Arm gerichtet ist, welcher auf der einen Seite
verschiebbar im ersten Arm in gleicher Entfernung von der Achse des ersten Armes
wie der Detektor gelagert ist und dessen anderes Ende an einem weiteren Zapfen gelagert
ist, dessen Achse tangential zur Probenoberfläche und parallel zur Achse des ersten
Zapfens verläuft und der zusammen mit dem Prüfkörper in Richtung des Prîmärstrahles
verschiebbar ist, und ist an einem verlängerten Teil des ersten Armes mittels eines
weiteren Zapfens ein am einen Ende gabelfönnig ausgebildetes Meßlineal angelenkt,
welches an einer Meßplatte anliegt und am anderen Ende um eine weitere Achse schwenkbar
ist, die parallel zur Achse des ersten Armes in der gleichen Entfernung von der
ersten Achse wie der Anlenkzapfen für das Meßlineal in einer zur Richtung der einfallenden
Strahlung und zur Meßplatte senkrechten, durch den Brennfleck gehenden Ebene verläuft,
so daß der Abstand zwischen der letzten Achse und dem Schnittpunkt des Meßlineals
mit einer auf der Meßplatte parallel zur Achse des Primärstrahles angebrachten Geraden,
deren Abstand von der letzten Achse proportional der halben Wellenlänge ist, ein
Maß für die Gitterkonstante darstellt.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Brennfleck der Röntgenröhre
an Stelle einer Schlitzblende als Quelle der divergenten Primärstrahlung benutzt.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß zwei oder mehrere Detektoren
und dementsprechend zwei oder mehrere Dreharme und zwei oder mehrere Lineale für
die gleichzeitige Messung zweier oder mehrerer verschiedener Interferenzen vorgesehen
sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist an
Hand der Fig. 2 dargestellt.
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Ein DetektorD ist an einem Arma so befestigt, daß dessen Achse zu
diesem Arm senkrecht steht.
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Der Arm a ist am einen Ende schwenkbar auf einem Zapfen gelagert,
dessen geometrische Achsef durch den Brennfleck F der Röntgenröhre hindurchgeht,
an welcher der Zapfen befestigt ist. Ein Arm b ist im Arm a in senkrechter Richtung
zu diesem verschiebbar eingesetzt, und zwar am Ort des Detektors D und parallel
zu dessen Achse. Das eine Ende des Armes b ist um einen Zapfen schwenkbar, dessen
Achsen tangential zur Oberfläche des Prüfkörpers M und senkrecht zur Strahlrichtung
verläuft. Bei der Messung wird die Röntgenröhre zum Probekörper M geschoben, falls
dieser große Abmessungen aufweist, bzw. ein Probekörper kleiner Abmessungen der
Röntgenröhre genähert. Bei Jeder Änderung der Entfernung zwischen dem Probekörper
und der Röntgenröhre wird der Arm a so geschwenkt, daß die Detektorachse ständig
zur Mitte des ProbekörpersM gerichtet ist. Es ist dann stets die Oberfläche des
Prüfkörpers M vom Brennpunkt F der Röntgenröhre
gleich weit entfernt wie die Zapfenachse
m von der Zapfenachse f. Die virtuellen Achsen der Arme a und b bilden die Katheten
eines rechtwinkligen Dreieckes von denen die eine eine konstante Länge am Alm a
und dié andere eine veränderliche Länge am Arm b aufweist. Durch diese Anordnung
wird gewährleistet, daß der sich im Scheitels des rechtwinkligen Dreieckes befindliche
Schlitz des Detektors D, der Brennpunkts der Röntgenröhre und der Mittelpunkt der
Probenoberfläche, welche die zwei anderen Ecken desselben rechtwinkligen Dreieckes
bilden, sich stets auf einer gemeinsamen Fokussierungs-Kreislinie k befinden, unabhängig
von der Entfernung FM.
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Der Winkel21l, welcher die genaue Interferenzanlage anzeigt, läßt
sich am Gerät als Ausschlag des Armesa von der durch den PunktF senkrecht zur Richtung
FM hindurchgehenden Ebene ablesen. Den einfachen Winkel g zeigt ein Lineal P an,
welches um eine Achse O schwenkbar ist, die in der durch den Brennpunkt F senkrecht
zur Achse der Primärstrahlung hindurchgehenden Ebene angeordnet ist. Das Lineal
P ist mit dem verlängerten Arm a durch einen in einen Ausschnitt des Lineals P verschiebbaren
ZapfenS verbunden. Die Achse des ZapfensS ist von der Achse f gleich weit entfernt
wie die Achse O von der Achsef. Das LinealP liegt an einer Meßplatte an, auf der
eine zur Strahlungsachse parallele Gerade L eingeätzt ist, deren Abstand von der
Achse O einem vorgegebenen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. Der Abstand
des Schnittpunktes der Geraden L mit dem Lineal P von der Achse O stellt somit ein
Maß für die Gitterkonstante dar. Hierdurch erübrigt sich die Berechnung der Gitterkonstanten
nach der Braggschen Formel.
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Die Größen E, v, w 2 und do sind für einen vorgegebenen Probekörper
konstant, so daß sich die Beziehung (1) auf die Form vereinfachen läßt: a = C(dfld4,
E C = d0 . (1 + γ) . (sin² #1 - sin² #2) .
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Zur Bestimmung der Spannung a ist daher für einen gegebenen Probekörper
die Konstante C zu errechnen oder an einem Probekörper ohne innere Spannung zu messen.
Zum Ermitteln der unter dem Einfluß von Spannungen geänderten Gitterkonstanten läßt
man nacheinander auf die zu untersuchende Stelle den Röntgenstrahl in zwei Richtungen
auffallen.
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Ist das LinealP mit einem Maßstab versehen, auf dem anstatt der Gitterkonstanten
direkt die Werte C d#1 und C d#2 ablesbar sind, so kann die Spannungo als Differenz
der am Maßstab abgelesenen Werte bestimmt werden. Es ist vorteilhaft, einen auswechselbaren
Satz von Linealen vorzusehen, deren Skalen entsprechend den Konstanten C für verschiedene
Materialien geeicht sind.
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In der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ist es vorteilhaft, eine
Röntgenröhre mit linienartigem Brennfleck zu verwenden und das ganze divergente
Primärstrahlungsbündel auszunutzen. Dadurch wird die Intensität der Interferenzen
wesentlich erhöht, so daß sie sich leicht feststellen lassen. Da die Vorrich tung
ständig unter Erfüllung der Fokussierungsbedingung arbeitet, sind die InterferenElinien
scharf und ermöglichen eine sehr genaue Einstellung des Detektors auf die Lage der
einzelnen Interferenzen.
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Die erfaßte Probenfläche ist so groß, daß nicht die Spannung in einem
Punkt gemessen wird, sondern die durchschnittliche Spannung auf einer Fläche von
etwa 1 cm2, so daß bei Betriebsprüfungen ein verläßliches Bild über den Zustand
der Spannungen gewonnen wird. Mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung läßt
sich die Spannung an der gegebenen Stelle in 5 bis 10 Minuten ermitteln gegenüber
einer Meßdauer von 2 bis 3 Stunden nach den bisherigen Verfahren.
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Die Vorrichtung kann auch mit zwei oder mehreren Detektoren D versehen
sein, welche an zwei oder mehreren Dreharmena in verschiedenen Abständen von der
Drehachse f der Arme a befestigt sind, sowie mit zwei oder mehreren verschiebbaren
Armen (b), welche in einem gemeinsamen Gelenk m konvergieren und mit zwei oder mehreren
Linealen P für die gleichzeitige Messung zweier oder mehrerer verschiedener Interferenzen.
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PATENTANSPRtSCHE: 1. Vorrichtung zum Ermitteln von inneren Spannungen
nach dem Röntgenrückstrahlverfahren, bei welcher der ein divergentes Strahlenbündel
erzeugende Brennfleck der Röntgenröhre als Eintrittsspalt dient und der Strahlendetektor
mittels eines Gestänges selbsttätig längs des Fokussierungskreises bewegt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Arm (a), welcher um einen an der Röntgenröhre
befestigten Zapfen schwenkbar gelagert ist, dessen geometrischeAchse(f) durch den
Brennfleck der Röntgenröhre hindurchgeht, ein Detektor (D) befestigt ist, dessen
Achse senkrecht zum Arm (a) und parallel zu einem Arm (b) gerichtet ist, welcher
auf der einen Seite verschiebbar im ersten Arm (a) in gleicher Entfernung von
der
Achse (D wie der Detektor (D) gelagert ist und dessen anderes Ende an einem weiteren
Zapfen gelagert ist, dessen Achse (m) tangential zur Probenoberftäche und parallel
zur Achse (f) des ersten Zapfens verläuft und der zusammen mit dem Prüfkörper (M)
in Richtung des Primärstrahles verschiebbar ist, und daß an einem verlängerten Teil
des ersten Armes (a) mittels eines Zapfens (S) ein am einen Ende gabelförmig ausgebildetes
Meßlineal (P) angelenkt ist, welches an einer Meßplatte anliegt und am anderen Ende
um eine Achse (O) schwenkbar ist, die parallel zur Achse (n des ersten Armes (a)
in einer Entfernung fo=fs in einer zur Richtung der einfallenden Strahlung und zur
Meßplatte senkrechten, durch den Brennfteck (F) gehenden Ebene verläuft, so daß
der Abstand zwischen der Achse (O) und dom Schnittpunkt des Lineals (P) mit einer
auf der Meßplatte parallel zur Achse des Primärstrahles angebrachtenGeraden(L),
deren Abstand von der Achse (O) proportional der halben Wellenlänge ist, ein Maß
für die Gitterkonstante darstellt.