DE1112844B

DE1112844B - Device for determining internal stresses using the X-ray radiation method

Info

Publication number: DE1112844B
Application number: DEK34843A
Authority: DE
Inventors: Dr Frantisek Khol
Original assignee: FRANTISEK KHOL DR
Current assignee: FRANTISEK KHOL DR
Priority date: 1957-05-11
Filing date: 1958-05-09
Publication date: 1961-08-17

Description

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. Device for determining internal stresses using the x-ray reflection method The invention relates to a device for determining internal stresses the x-ray reflection method, in which the divergent beam of rays is generated The focal spot of the X-ray tube serves as an entrance slit and the radiation detector by means of a linkage is automatically moved along the focusing circle.

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. The known methods and devices with which at least approximately the internal elastic tensions of machine, building or construction elements have them determined as a basis for their scope and economic assessment, are based on the elasticity theory, according to which the deformation of the material is proportional to the voltage. Here are mechanical interventions, with what mostly a destruction or damage of the workpiece is connected, the inner Stresses determined. The tensometric methods only determine the additional ones Stresses caused by external forces, however, cannot be the original ones Determine residual stresses caused by the technological processing of the workpiece arise during production and remain permanently in the workpiece, even if the Component is not loaded by external forces.

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. Better results are achieved by methods that are similar to those on the atomic lattice exploit generated interference from X-rays and by means of which the total internal stresses from the deformations of this grid without destruction of the test body can be determined. These methods are accurate, yet measurement is tedious and tedious, and requires costly facilities and skilled professionals.

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. The invention aims to create a simple and inexpensive one Device with which a trained worker can quickly relieve internal stresses in the material and can determine without performing complicated operations and calculations.

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. The basic relationship for determining the tangential component the internal stress a on the surface of a test specimen is known by the Equation E. 1 . dç, - d # 2 # = ï + v sin2wlsin2w2 do (l) expressed in which E means the Young's modulus of elasticity, v the Poisson's constant of the transverse contraction, X and 92 the angles between the normals of the interfering systems of the lattice planes and of the normal to the sample surface, d # 1 - d0, d # 2 - d0 do do the relative reduction the distance between the interfering lattice planes under the influence of internal stress a, do is the grid spacing in the material without internal stress.

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. Are the modulus of elasticity and Poisson's constant of the tested Known material, then the angles must be used to determine the internal stress # 1 and 92 and the deformations of the grid spacings m in the directions nul and 2 are determined will. These values are derived from the location of the resulting interference on the corresponding Lattice planes determine which are either recorded on a film on which the distances are measured, or with another detector for X-rays, e.g. B. Geiger-Müller counter, scintillation counter, can be determined.

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.All radiographic methods are therefore based on the exact determination of the distances of the grating planes, which are derived from the interference angle28 (Fig. 1) the Bragg condition for the formation the interference A cos # = 2 d (2) can be determined, where A is the wavelength of the internally transmitting radiation means.

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. According to the invention is on an AIm, which is around one on the X-ray tube The fixed pin is pivotably mounted, the geometric axis of which goes through the focal point the X-ray tube passes through, a detector is attached, the axis of which is perpendicular to the Arm and directed parallel to a second arm, which is on one side movable in the first arm at the same distance from the axis of the first arm how the detector is mounted and its other end mounted on another pin whose axis is tangential to the sample surface and parallel to the axis of the first Pin runs and together with the test body in the direction of the primary jet is displaceable, and is on an extended part of the first arm by means of a another pin articulated a fork-shaped measuring ruler at one end, which rests on a measuring plate and can be pivoted about a further axis at the other end is parallel to the axis of the first arm at the same distance from the first axis as the pivot pin for the measuring ruler in one to the direction of the incident Radiation and the plane perpendicular to the measuring plate and passing through the focal point, so that the distance between the last axis and the intersection of the ruler with a straight line on the measuring plate parallel to the axis of the primary beam, whose distance from the last axis is proportional to half the wavelength Represents a measure of the lattice constant.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Brennfleck der Röntgenröhre an Stelle einer Schlitzblende als Quelle der divergenten Primärstrahlung benutzt. In the device according to the invention, the focal point of the X-ray tube used instead of a slit diaphragm as the source of the divergent primary radiation.

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. It is within the scope of the invention that two or more detectors and accordingly two or more swivel arms and two or more rulers for the simultaneous measurement of two or more different interferences is provided are.

Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist an Hand der Fig. 2 dargestellt. An embodiment of the device according to the invention is on Hand of Fig. 2 shown.

Ein DetektorD ist an einem Arma so befestigt, daß dessen Achse zu diesem Arm senkrecht steht. A detector D is attached to an arm so that its axis is closed this arm is vertical.

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.The arm a is pivotably mounted on a pin at one end, whose geometric axis f passes through the focal spot F of the X-ray tube, to which the pin is attached. An arm b is in the arm a in the vertical direction inserted displaceably to this, namely at the location of the detector D and in parallel to its axis. One end of the arm b is pivotable about a pin, whose Axes tangential to the surface of the test body M and perpendicular to the beam direction runs. During the measurement, the X-ray tube is pushed towards the specimen M, if this has large dimensions, or a test specimen of small dimensions X-ray tube approached. Whenever there is a change in the distance between the specimen and the arm a of the X-ray tube is pivoted so that the detector axis is constant is directed towards the center of the specimen M. It is then always the surface of the Test body M from the focal point F of the X-ray tube equidistant from the pivot axis m from the pin axis f. The virtual axes of the arms a and b form the cathetus of a right triangle, one of which has a constant length at Alm a and the other has a variable length on the arm b. Through this arrangement it is ensured that the one located in the vertex of the right triangle Slit of the detector D, the focal point of the X-ray tube and the center of the Sample surface showing the other two corners of the same right triangle form, are always on a common focussing circular line k, independently from the distance FM.

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. The Winkel21l, which shows the exact interference system, leaves appears on the device as a deflection of the armesa from the point F perpendicular to the direction Read the FM level through it. The simple angle g is indicated by a ruler P, which is pivotable about an axis O, which is perpendicular to the through the focal point F is arranged to the axis of the primary radiation through plane. The ruler P can be moved with the extended arm a through a cutout of the ruler P. PinS connected. The axis of the pin S is equidistant from the axis f like axis O from axis f. The LinealP rests on a measuring plate on which a straight line L parallel to the radiation axis is etched in, the distance of which from the Axis O corresponds to a predetermined multiple of half the wavelength. The distance of the intersection of the straight line L with the ruler P from the axis O thus sets Measure for the lattice constant. This makes it unnecessary to calculate the lattice constants according to Bragg's formula.

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) . The sizes E, v, w 2 and do are for a given specimen constant, so that relation (1) can be simplified to the form: a = C (dfld4, E C = d0. (1 + γ). (sin² # 1 - sin² # 2).

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. To determine the stress a is therefore for a given specimen to calculate the constant C or to measure it on a test specimen without internal stress. To determine the lattice constants changed under the influence of stresses one after the other on the point to be examined the X-ray beam in two directions stand out.

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. Is the ruler P provided with a scale on which instead of the grid constants the values C d # 1 and C d # 2 can be read off directly, then the voltage o can be expressed as a difference the values read on the scale can be determined. It is beneficial to have an interchangeable Provide set of rulers whose scales correspond to the constants C for different Materials are calibrated.

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. In the device described above, it is advantageous to have a To use X-ray tube with a line-like focal point and the whole divergent To exploit primary radiation bundles. This increases the intensity of the interference significantly increased so that they can be easily determined. Since the device works constantly while fulfilling the focusing condition, are the interfering lines sharp and allow a very precise adjustment of the detector to the location of the individual interferences.

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.The detected sample area is so large that not the stress in one Point is measured, but the average voltage over an area of about 1 cm2, so that a reliable picture of the condition is obtained during tax audits the tension is won. With the device described above, can determine the tension at the given point in 5 to 10 minutes a measurement time of 2 to 3 hours according to the previous methods.

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. The device can also be provided with two or more detectors D. be which on two or more rotating arms at different distances from the Axis of rotation f of the arms a are attached, as well as with two or more slidable Arms (b) which converge in a common joint m and with two or more Rulers P for the simultaneous measurement of two or more different interferences.

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. PATENT CLAIMS: 1. Device for determining internal stresses according to the X-ray reflection method, in which the a divergent beam The focal spot of the X-ray tube generating the entrance slit and the radiation detector is automatically moved along the focusing circle by means of a linkage, characterized in that on an arm (a), which around one on the X-ray tube attached pin is pivoted, the geometric axis (f) through the Focal spot of the X-ray tube passes through, a detector (D) is attached, whose Axis perpendicular to the arm (a) and parallel to an arm (b), which slidable on one side in the first arm (a) at the same distance from the Axis (D as the detector (D) is mounted and its other end on another Pin is mounted, the axis (m) of which is tangential to the sample surface and parallel runs to the axis (f) of the first pin and which together with the test body (M) is displaceable in the direction of the primary beam, and that on an extended part of the first arm (a) by means of a pin (S) a fork-shaped at one end Measuring ruler (P) is hinged, which rests on a measuring plate and at the other end is pivotable about an axis (O) which is parallel to the axis (n of the first arm (a) at a distance fo = fs in one to the direction of the incident radiation and to Measuring plate runs perpendicular through the Brennfteck (F) plane so that the distance between the axis (O) and the intersection of the ruler (P) with a straight line (L) made on the measuring plate parallel to the axis of the primary beam, whose distance from the axis (O) is proportional to half the wavelength, a measure represents the lattice constant.

Claims

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that two or several detectors (D), which are attached to associated arms (a) at different distances are fastened by the common pivot axis (f), and a corresponding number of assigned movable arms (b), which in a common joint (m) converge, and a corresponding number of associated rulers (P) for the simultaneous detection of two or more different interferences provided are.

References considered: U.S. Patent No. 2,648 011.