Röntgendiffraktometer durchleuchtet fast jeden Werkstoff

Durchleuchtet nahezu jeden Werkstoff: Das neue Röntgendiffraktometer D8 Discover. (Foto: IW)

IW | Wie belastbar, spröde oder korrosionsempfindlich ein Material ist, hängt von seiner Kristallstruktur ab, also von der Anordnung der Atome im Werkstoff. Forscher des Instituts für Werkstoffkunde (IW) können diese Strukturen sichtbar machen – mit einem neuen Röntgendiffraktometer.

So wie beim Menschen viele Eigenschaften in den Genen liegen, bestimmt die kristalline Struktur die Eigenschaften moderner Werkstoffe wie Stahl, Aluminium oder Keramik. Von der Anordnung der Atome im Material hängt beispielsweise ab, wie gut ein Werkstoff Belastungen standhält, ob er Strom leitet oder Sauerstoff transportieren kann.

Untersuchen lassen sich die Kristalle - und damit die Materialeigenschaften - mit dem Röntgendiffraktometer (XRD) D8 Discover, welches das Institut für Werkstoffkunde (IW) jetzt in Betrieb genommen hat. Das neue Großgerät ermöglicht Einblicke in die kristalline Zusammensetzung, die bevorzugte Kristallorientierung und die Eigenspannungen, die durch verschiedene Fertigungsverfahren in den Kristallen verbleiben.

Walzen oder Fräsen ändert die Materialeigenschaften

Wird durch Hitze oder Druck die Kristallstruktur eines Werkstoffs verändert, dann ändern sich auch seine Eigenschaften. Mal geschieht das zielgerichtet, etwa bei der gesteuerten Wärmebehandlung von Stählen. Oft werden die Eigenschaften von Werkstoffen aber auch unbewusst beeinflusst, zum Beispiel beim Schmieden, Walzen und Fräsen von Metallen.

Durch das Walzen ordnen sich Kristalle mit einer bestimmten Kristallfläche zur Belastungsrichtung an, das heißt sie bekommen eine Vorzugsorientierung - dann ist der Werkstoff in einer Richtung belastbarer als in der anderen. Bei der Weiterverarbeitung muss das beachtet werden, um das Material nicht zu beschädigen. Auch Spannungen können sich im Werkstoff bilden - etwa durch rasches Abkühlen oder spanende Bearbeitung. Solche Effekte macht das IW mittels Röntgendiffraktometrie sichtbar. Unternehmen können die Erkenntnisse nutzen, um den Einfluss der Herstellung und der Verarbeitung festzustellen und so hochwertige und haltbare Werkstoffe herzustellen.

Röntgen gibt Einblick in die Kristallstruktur

Mittels Röntgendiffraktometrie lässt sich die kristalline Struktur von Festkörpern gut analysieren, ohne den Werkstoff zu beschädigen. Mit der sogenannten Phasenanalyse werden die materialbildenden Kristallstrukturen entschlüsselt, das heißt die räumliche Anordnung der verschiedenen Elemente zueinander. Die Wechselwirkung mit charakteristischer Röntgenstrahlung kann bestimmten Kristallstrukturen zugeordnet und mit einer Datenbank verglichen werden - so lassen sich beispielsweise bei unbekannten Proben die enthaltenen Kristallphasen ermitteln. Weitere Informationen wie Gitterparameter oder Kristallitgröße können ebenfalls untersucht werden.

XRD im Quadrat

Im Vergleich zu den bisherigen Möglichkeiten des Institutes kann an dem neuen Röntgendiffraktometer im 2D-Modus gemessen werden, also in einer Fläche statt Punkt für Punkt. Der Flächendetektor bietet eine Menge an Vorteilen für die Materialanalytik. Die Informationen, die kegelförmig aus dem Probenmaterial abgegeben werden, können als Kreissegmente gemessen werden. Das minimiert die Informationsverluste, die etwa durch Vorzugsrichtungen der Kristalle (Textur) oder durch zu große Kristalle (Grobkorn) entstehen können. Der hohe Informationsgehalt aus den 2D-Messungen ermöglicht schnelle und präzise Messungen selbst an minimalen Probenmengen.

Von Mikro bis Kilo

Durch das zwei Meter hohe Gehäuse und die massive Probenbühne mit einem Eigengewicht von 64 Kilogramm kann das IW nicht nur exemplarische Prüfkörper untersuchen, sondern auch Messungen an realen Bauteilen wie Zahnrädern oder verschweißten Grobblechen durchführen. Auf der Probenbühne des neuen Gerätes können Untersuchungen an Proben mit einem Maximalgewicht von 5 Kilogramm und einer maximalen Probenhöhen von 9 Zentimetern durchgeführt werden. Aber auch minimale Probenmengen oder sehr kleine Probenbereiche können präzise gemessen werden: Der Fokus der Röntgenröhre ist auf 2, 1, 0,5 und 0,3 Millimeter einstellbar.

Die Messungen erfolgen mit paralleler Strahlung, dadurch können auch unebene oder raue Oberflächen untersucht werden. Die Probenoberfläche muss daher auch nicht speziell präpariert werden. Die Verwendung unterschiedlicher charakteristischer Röntgenstrahlung wie Kupfer, Kobalt und Chrom ermöglicht die Analyse nahezu jeden Werkstoffes.

von Christoph Hübsch und Susanne Thürer

Bildergalerie zu diesem Artikel

  • Durchleuchtet nahezu jeden Werkstoff: Das neue Röntgendiffraktometer D8 Discover. (Foto: IW)
  • Messaufbau mit Röntgenröhre, Probentisch, Kamera zur Probenjustierung und 2D-Detektor. (Foto: IW)