Analyse oberflächennaher Eigenspannungszustände mittels komplementärer Beugungsverfahren

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse oberflächennormaler Eigenspannungsgradienten unter Anwendung komplementärer röntgenografischer Beugungsverfahren. Den Kernpunkt bildet dabei die Entwicklung einer neuen Methode zur direkten Bestimmung von Spannungsgradienten _(z) im Ortsraum durch spezielle Schlitzmasken, die auf der Definition kleiner Messvolumina unter der Probenoberfläche basiert. Um dies zu erreichen, werden geeignete Probenzustände hergestellt, deren Charakteri sierung mit Hilfe bewährter Verfahren zur Eigenspannungsanalyse erfolgt. Daneben wird ein im Rahmen dieser Arbeit entwickeltes Computerprogramm zur Berechnung diffraktionselastischer Konstanten (DEK) vorgestellt, welche für die röntgenografische Spannungsanalyse benötigten werden.

Um geeignete Eigenspannungszustände für die Entwicklung des Ortsraumverfahrens mit absorbierenden Schlitzmasken bereitzustellen, werden sowohl Stahl (100Cr6) als auch Keramikproben (Al2O3) gefertigt und jeweils in Kugelstrahl- und Schleifprozessen mit verschiedenen Parametersätzen oberflächenbearbeitet. Die resultierenden Eigenspannungstiefenverteilungen werden mit Hilfe von etablierten LAPLACE- und Abtragverfahren (sin2_-Methode) charakterisiert, sodass wohldefinierte Probenzustände für den Vergleich mit dem Ortsraumverfahren vorliegen.

Bei der Entwicklung des neuen Verfahrens werden verschiedene Ansätze vorgestellt und diskutiert. Mit Hilfe eines ortsempfindlichen CCD-Detektors und direkt auf der Probenoberfläche fixierten Masken wird dabei erstmals die prinzipielle Funktion des Verfahrens demonstriert, indem Volumenelemente in unterschiedlichen Messtiefen gezielt ausgeblendet werden. Probleme bei der Datenanalyse bereitet besonders die geringe Kornstatistik aus den nur etwa 7-8 µm hohen und 11 µm breiten Messvolumina. Daher kommt in weiterführenden Untersuchungen eine spezielle Positioniervorrichtung zum Einsatz, durch welche die Qualität der aufgenommen Beugungsbilder und die Messtiefeeinstellung erheblich verbessert und Einflüsse der Oberflächenbeschaffenheit der Proben vermieden werden. Anhand von Experimenten an massiven Al2O3-Proben und einem Mehrschichtsystem kann gezeigt werden, dass die aufgenommenen Messdaten gut mit berechneten Intensitätstiefenprofilen korrelieren und auch die Spannungsanalyse auf Basis der entwickelten Ortsraummethode prinzipiell möglich ist. Allerdings sind hierfür weitere Verbesserungen notwendig, welche die Herstellung dickerer Absorberschichten, eine genauere Ausrichtung und Positionie rung der Masken bezüglich der Proben, sowie eine Erhöhung der Ortsauflösung umfassen müssen.