Kriechfestigkeit: Der Einfluss der Werkstoffauswahl und des Gefüges anhand von Beispielen

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Helmut Biermann
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1 Kriechfestigkeit: Der Einfluss der Werkstoffauswahl und des Gefüges anhand von Beispielen Tobias Bollhorst Frank Gansert Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

2 Inhaltsangabe 1 Definition - Kriechen 2 Kriechstadien 3 Kriechmechanismen 4 Kriechbeständigkeit - Visualisierung 5 Deformation-Mechanism-Map (Ashby-Map) 6 Erhöhung der Kriechfestigkeit 7 Quellen Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

3 Definition - Kriechen Definition - Kriechen allgemeine Definition Zeit- und Temperaturabhängige, plastische Verformung eines Werkstoffes verursacht durch eine Last. weiterführende Beschreibung Belastung eines Werkstoffes bei homologer Temperatur ( T T m ) von mind. 0, 3 0, 4 unter einer konstanten Spannung, nimmt Dehnung des Werkstoffes mit fortlaufender Zeit zu. Kriechverformung hängt von einer mind. homologen Temperatur ab, da hochschmelzende Materialien eine hohe Bindungsenergie aufweisen. Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

4 Kriechstadien Kriechstadien Dehnungs-Zeit-Diagramm einer Kriechkurve 0. Beginn der Belastung sofortige zeitunabhängige Dehnung ε 0 I. Zunahme der Dehnung und meist Abnahme der Dehngeschwindigkeit II. näherungsweise konstante Dehngeschwindigkeit III. Großteil der Lebensdauer vergangen, Kriechgeschwindigkeit nimmt stark zu, Materialversagen bzw. Bruch Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

5 Kriechmechanismen Versetzungskriechen Versetzungskriechen Durch Leerstellentransport unterstützte Versetzungsbewegung Trifft Stufenversetzung auf Hindernis, bedarf es zum Ausweichen aufgrund der hohen T keiner zusätzlichen Spannung, wie bei tiefen T. Sie kann dies nun indem sie Leerstellen durch Diffusion anlagert oder aussendet (Senke oder Quelle). Klettern Versetzung bewegt sich senkrecht zu ihrer Gleitebene auf eine andere Gleitebene Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

6 Kriechmechanismen Diffusionskriechen Diffusionskriechen Tritt bei hohen Temperaturen neben Versetzungkriechen auf Leerstellentransport führt zu Deformationen. Korngrenzen treten hierbei anstelle der Versetzungen als Quellen und Senken für Leerstellen auf Coble-Kriechen Selbstdiffusion entlang von Korngrenzen (bei niedriger homologer T). Nabarro-Herring-Kriechen Selbstdiffusion durch das Materialvolumen (bei hoher homologer T). Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

7 Kriechmechanismen Korngrenzengleiten Korngrenzengleiten Diffusionskriechen verursacht Änderung der Form der Körner; benachbarte Körner müssen sich aneinander anpassen. Körner bewegen sich gegeneinander Korngrenzengleiten. + Kompatibilität und Stabilität zwischen Körnern wird aufrechterhalten - An Punkten an denen sich 3 Korngrenzen treffen, kann es zum Aufreißen der Korngrenzen kommen Vorzeitige Materialschädigung Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

8 Kriechbeständigkeit - Visualisierung Kriechbeständigkeit - Visualisierung Zeitstandschaubild Spannung bis zum Erreichen einer bestimmten plast. Dehnung für eine vorgegebene Temperatur über Zeit aufgetragen. Jeder Punkt entspricht einem Versuch sehr aufwendig und teuer Zeitstandfestigkeit (R u/t/t ) Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

9 Deformation-Mechanism-Map (Ashby-Map) Deformation-Mechanism-Map (Ashby-Map) Unterschiedliche Spannungswerte und Temperaturen führen zu unterschiedlichen Kriechverformungsmechanismen Verformungsmechanismen-Diagramm (idealisiert) Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

10 Erhöhung der Kriechfestigkeit Diffusion Diffusion Ursache für das Kriechen sind Diffusionsprozesse Leerstellenbildung verhindern hohe Bindungsenergie hoher Schmelzpunkt dicht gepackte Gitter sind zu bevorzugen kfz, hdp 150 (Selbstdiffusion) D α Fe D γ Fe Grobes Korn ist günstig lange Diffusionswege die Verformungsgeschwindigkeit sinkt Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

11 Erhöhung der Kriechfestigkeit Gefügeoptimierung Gefügeoptimierung Körner in Belastungsrichtung strecken, vermindert Schubspannung entlang der KG Rissausbreitung sinkt bei Versagen von KG Einkristall Ziehen von Drähten, Turbinenschaufeln (vorgegebene Belastungsrichtung) Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

12 Erhöhung der Kriechfestigkeit Versetzungsbehinderung Versetzungsbehinderung Mischkristallhärtung: langsam diffundierende, hochschmelzende, Fremdatome, die Bindung mit Wirtsgitter eingehen (Molybdän, Wolfram, Rhenium) Ausscheidungshärtung: prinzipiell ähnlich, die Ausscheidung muss jedoch stabil sein, Gegenbeispiel: Altern von Aluminium-Kupferlegierungen Dispersionshärtung: Anziehungskraft zw. Dispersionteilchen und Versetzung Oxidgehalt Temperatur Zeitstandfestigkeit (MPa) Material m% 1000h 2024-T4 / / SAP R *[aluselect] **[S. Ochiai] Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

13 Erhöhung der Kriechfestigkeit Zeitstandfestigkeit Zeitstandfestigkeit in der Übersicht R u\100000\t [MPa] Temperatur in ferritische Stähle C Mn CrMo CrMo CrMo CrMoV austenitische Stähle X 5 CrNi X 10 CrNiNb X 5 CrNiMo Nickelbasis-Superlegierungen, geschätzt IN SC Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

14 Erhöhung der Kriechfestigkeit Beispiel: Nickelbasis-Superlegierung Beispiel: Ni-Basis-Superlegierung kohärente Phase (1% Abweichung) andere Legierungselemente verringern die Fehlpassung auf 0,2% - 0,1% langsame Vergröberung dieser Phase, Einsatz bis 75% der Schmelztemperatur hoher Ausscheidungsgehalt ( 70%), Versetzungen schneiden die Ausscheidungen erst bei hohen Spannungen Versetzungsschlingen >100MPa bei 1000 über mehrere 1000h Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

15 Erhöhung der Kriechfestigkeit Beispiel: Nickelbasis-Superlegierung Beispiel: Ni-Basis-Superlegierung MAR-M 200 Al Ti W Cr Nb Co C B Zr Ni bal. horizontale Linien: nachteilige Beimengungen gekreuzt: geringe Kriechbeständigkeitserhöhung [F. Ashby] [M. J. Donachie] Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

16 Erhöhung der Kriechfestigkeit Beispiel: Nickelbasis-Superlegierung [F. Ashby] Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

17 Quellen Quellen Mechanisches Verhalten der Werkstoffe, Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker, 1. Auflage 2006 [F. Ashby] Deformation Mechanism Maps The Plasticity and Creep of Metals and Ceramics, Harold J Frost, Michael F. Ashby, [S. Ochiai] Mechanical properties of metallic composites, Shojiro Ochiai [aluselect] [R.C. Reed] The Superalloys Fundamentals and Application, Roger C. Reed, 1. Auflage 2006 HVAT-Metalle Skript zu Vorlesung, Prof. Dr. W. Reimers The Physics of Creep, Frank Reginald Nunes Nabarro, Heidi L. De Villiers, 1993 [M. J. Donachie] Superalloys A Technical Guide, Second Edition, Matthew J. Donachie, Stephan J. Donachie, 2. Auflage 2002 Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit / 17

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