Umrechnungen von Einheiten

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1 Umrechnungen von Einheiten In der linken Spalte sind die SI-gerechten Einheiten angegeben. 1 kp = 1 kgf = 9,807 N Kraft 1 dyn = 1 g cm/s2 = 10-5 N Newton: 1 N = 1 kg m/s2 1 Ibf = 4,45 N 1 kp/mm2 = 9,807 MPa 1 psi = 1 Ibf/in2 = 6, MPa Spannung, Druck 1 ksi = 103 psi = 6,9 MPa Pascal: 1 Pa = 1 N/m2 1 bar = 105 Pa = 0,1 MPa 1 MPa = 1 N/mm2 1 at = 1 kp/cm2 = 10m WS = 0,09807 MPa = 1 MN/m2 1 Torr = 1 mm Hg = 1, MPa 1 atm = 760 Torr = 1,013 bar = 0,1013 MPa 1 cal = 4,187 J 1 kp m = 9,807 J 1 kwh = 3,6.106 J Energie, Arbeit, Wärmemenge 1 ev = 1, J Joule: 1J=1Nm=1Ws 1 erg = 1 dyn cm = 10-7 J = 1 kg m2/s2 1 BTu = 1055 J 1 ft Ibf = 1,36 J 1 ft tonf = 3,037 kj 1 in Ibf = 0,113 J 1 cal/s = 4,187 W Leistung 1 ft Ibf/s = 1,36W Watt: 1 W = 1 J/s = 1 N m/s = 1 kg m2/s3 1 in Ibf/s = 0,113 W 1 PS = 735,5 W 1 hp = 745,7W 1 BTu/h = 0,293 W BTu British Thermal unit kgf kilogram-force ft foot (1 ft = 0,305 m) ksi kilopounds per square inch ft Ibf foot pound-force Ib pound (mass) (1 Ib = 0,454 kg) ft tonf foot ton-force Ibf pound-force Hg Quecksilbersäule Ibf/in2 pound-force per square inch hp horse power psi pounds per square inch in Ibf inch pound-force WS Wassersäule

2 Ralf Bürgel Hochtemperatur Werkstoff technik

3 Aus dem Programm... Werkstoff technik Werkstoffkunde für Ingenieure von R. Laska und Ch. Felsch Stahlerzeugung kompakt von K. Taube Praktikum in Werkstoffkunde von E. Macherauch Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung von W. Weißbach Aufgabensammlung Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung von W. Weißbach, U. Bleyer und M. Bosse Handbuch Hochtemperatur - Werkstoff technik von R. B ürgel Tribologie-Handbuch, Reibung und Verschleiß von H. Czichos und K.-H. Habig Praktische Oberflächentechnik von K.-P. Müller Vieweg ~

4 Ralf Bürgel Handbuch Hochtemperatur Werkstoff technik Grundlagen, Werkstoffbeanspruchungen, Hochtemperaturlegierungen Mit 236 Bildern und 65 Tabellen ai vleweg

5 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1 Wiesbaden, 1998 Softcover reprint of the hardcover I st edition 1998 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Bertelsmann Fachinformation GmbH. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für VervielfäItigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherungen und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Gedruckt auf säurefreiem Papier ISBN ISBN (ebook) DOI /

6 v Vorwort Dieses Lehr- und Fachbuch, das in den Jahren entstand, wendet sich sowohl an Studierende der Werkstoffkunde im fortgeschrittenen Stadium ihrer Ausbildung sowie an Dozenten als auch an Ingenieure in der Industrie und angewandten Forschung und Entwicklung. Viele Themen der Hochtemperatur-Werkstofftechnik werden in den Standardlehrbüchern recht kurz behandelt, so daß man zur Einarbeitung in dieses Gebiet auf breit gestreute Fachliteratur zurückgreifen muß. Monographien vertiefen dagegen bestimmte Bereiche stark. Das vorliegende Buch versucht, diese Lücke zwischen kurzen Allgemein- und umfassenden Einzeldarstellungen zu schließen. Besondere Aufmerksamkeit wird der Verbindung zwischen Grundlagenverständnis, technischen Schlußfolgerungen und Anwendungen gewidmet. Das Buch behandelt zum einen die nach metallphysikalischen Gesetzmäßigkeiten oberhalb etwa 40 % der absoluten Schmelztemperatur mit technisch bedeutender Geschwindigkeit ablaufenden Werkstoffvorgänge, die für alle metallischen Materialien allgemein gelten. Zum anderen werden Hochtemperaturlegierungen und deren Beanspruchungen in Bauteilen vorgestellt. Als Hochtemperaturwerkstoffe bezeichnet man nach gängigem technischen Sprachgebrauch solche, die oberhalb etwa 500 oe langzeitig eingesetzt werden können. Keramische Werkstoffe werden nicht ausführlich behandelt, sondern lediglich an einigen Steilen ergänzend und vergleichend erörtert. Teile des Buchinhaltes sind Gegenstand der Vorlesungen Festigkeit und Verformung metallischer Werkstoffe, Werkstoffbeanspruchungen in Bauteilen, Hochtemperaturwerkstoffe, Phaseng/eichgewichte, Metallkunde sowie Festigkeits/ehre, welche ich an der Fachhochschule Osnabrück halte. Herr Dr.-Ing. Viktor Guttmann hat nahezu das gesamte Manuskript sehr sorgfältig und kritisch Korrektur gelesen. Frau Beate Trück und Herr Heinz Rechtenbacher, meine ehemaligen Kollegen bei ABB in Mannheim, haben mich bei der Suche nach geeignetem Bildmaterial tatkräftig unterstützt. Ich danke den genannten Personen für ihren kompetenten Einsatz in langjähriger freundschaftlicher Verbundenheit. Die Benutzer dieses Buches bitte ich um Kritik und Verbesserungsvorschläge. Meile, im Januar 1998 Ralf Bürge/

7 VII Inhaltsverzeichnis Vorwort... V Zeichen und Einheiten... XIII Abkürzungen... XVI 1 Grundlagen Einführung Thermodynamische und kinetische Grundlagen Temperatur und thermische Energie Grundbegriffe der Thermodynamik und Kinetik von Reaktionen Thermodynamische Triebkraft ßG Reaktionskinetik Diffusion Mechanismen und Gesetzmäßigkeiten Interstitielle Diffusion Reguläre Gitterdiffusion Diffusion in Substitutionsmischkristallen Diffusion entlang von Gitterfehlern Diffusion entlang von Versetzungen Diffusion entlang von Korngrenzen Diffusion in geordneten Gittern Grundlagen der Wärmeübertragung Begriffe Wärmedurchgang durch 6line Wand Gefügestabilität Erholung Rekristallisation Allgemeines Kinetik der Rekristallisation Mechanismen und Gesetzmäßigkeiten der Rekristallisation Kornvergröberung... 57

8 VIII Inhaltsverzeichnis 2.4 Ausscheidungsvorgänge Allgemeines Energiebilanz bei Ausscheidungsvorgängen Teilchenvergröberung/Ostwald-Reifung Gefügebedingte Volumenänderungen Statische Festigkeit und Verformung, Kriechen Allgemeines Grundlagen der Hochtemperaturverformung Kriechen Kriechkurve Darstellungsformen der Kriech- und Zeitstanddaten und Aspekte der Bauteilauslegung Versetzungskriechen Mikrostrukturelle Interpretation Gesetzmäßigkeiten des Versetzungskriechens Spannungsabhängigkeit Temperaturabhängigkeit Abhängigkeiten von Werkstoffparametern Korngrenzengleiten Diffusionskriechen Verformungsmechanismuskarten Kriechen von Legierungen Mischkristallhärtung Direkte Wechselwirkungen FremdatomeNersetzungen Veränderung von Werkstoffparametern durch Fremdatome Teilchenhärtung Mechanismen und Gesetzmäßigkeiten Besonderheiten dispersionsgehärteter Legierungen Hoch y'-haltige Ni-Basislegierungen Kriechkurvenverlauf teilchengehärteter Legierungen Kriechen geordneter intermetallischer Phasen Bruchmechanismuskarten Kriechschädigung und Kriechbruch Transkristalline Kriechschädigung Interkristalline Kriechschädigung Kriechrißinitiierung Kriechrißwachstum Tertiäres Kriechen Einfluß der Kornform auf die Zeitstandeigenschaften

9 Inhaltsverzeichnis IX 3.12 Kriechverhalten von Einkristallen Extrapolation von Zeitstandergebnissen Zeitstandfestigkeitsnachweis bei veränderlichen Beanspruchungen Spannungsrelaxation Entwicklung und Auswahl kriechfester Legierungen Zyklische Festigkeit und Verformung, Ermüdung Begriffe und Einführung Ermüdung bei tiefen Temperaturen Ermüdung bei hohen Temperaturen Schädigung und Bruch unter zyklischen Belastungen Lebensdauerabschätzung für zyklische Belastungskollektive Lebendauerabschätzung für kombinierte Kriech- und Ermüdungsbeanspruchung Thermische Ermüdung Wärmedehnungen und Wärmespannungen Prüftechniken zur thermischen Ermüdung Einflußgrößen auf die thermische Ermüdung Wärmeausdehnungskoeffizient Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit Elastizitätsmodul Korngröße Mechanische Eigenschaften Konstruktive und geometrische Einflüsse Korrosionsbeständigkeit Zusammenfassung der Einflußgrößen auf die thermische Ermüdung Hochtemperaturkorrosion Begriffe Thermodynamik der Metall/Gas-Reaktionen Oxidation Einführung und Begriffe Kinetik der Oxiddeckschichtbildung Mechanismen des Deckschichtwachstums Oxidation von Legierungen Deckschichten auf Legierungen Zyklisches Oxidationsverhalten Haftung von Deckschichten und Aktivelementeffekte Plastisches Verhalten von Oxiddeckschichten Korngrenzenzerfall (Pest) Zundergrenze

10 X Inhaltsverzeichnis 5.4 Aufkohlung Allgemeines Besondere Erscheinungsformen der Aufkohlung Metal Dusting Grünfäule Entkohlung Aufstickung Aufschwefelung Heißgaskorrosion Begriffe und Einführung Korrosive Substanzen bei Verbrennungsprozessen Prüfmethoden Mechanismen der Heißgaskorrosion Allgemeines Niedertemperatur- (Typ 11-) Heißgaskorrosion Hochtemperatur- (Typ 1-) Heißgaskorrosion Einflüsse weiterer Elemente Zusammenfassung und Aspekte der Werkstoffwahl Erosion-Korrosion-Wechselwirkungen Korrosionsbedingte Volumenänderungen Wechselwirkungen zwischen Korrosion und mechanischen Eigenschaften Hochtemperaturlegierungen Definition und Anwendungsgebiete Beanspruchungen und Werkstoffanforderungen Auswahlkriterien für Basiselemente und Übersicht über Hochtemperatur-Werkstoffgruppen Hochtemperaturlegierungen auf Fe-Basis Übersicht Hitzebeständige Stähle Warmfeste Stähle Hochwarmfeste Stähle Hochtemperaturlegierungen auf Co-Basis Allgemeines und Vergleich Legierungsaufbau, Gefüge und Eigenschaften Hochtemperaturlegierungen auf Ni-Basis Allgemeines und Vergleich Phasen in Ni-Basislegierungen Der y-mischkristall Die y'-phase Karbide TCP-Phasen und Phaseninstabilitäten Weitere Phasen

11 Inhaltsverzeichnis XI Wärmebehandlung y'-gehärteter Ni-Basislegierungen Allgemeines Ausgangswärmebehandlung Heiß-isostatisches Pressen (HIP) Regenerierende Wärmebehandlung Korrosionseigenschaften Gerichtet erstarrte Superlegierungen Allgemeines Herstellung Prinzip der gerichteten Erstarrung Verfahrensparameter und Gefügefehler Mikroseigerungsverhalten bei der Erstarrung Legierungsaufbau und besondere Eigenschaften Gerichtet rekristallisierte Dispersions-Superlegierungen Allgemeines Legierungstypen Herstellung Rekristallisation Legierungsaufbau und besondere Eigenschaften Blechlegierungen Korrosions- und Beschichtungsverhalten Hochschmelzende Legierungen Allgemeines Festigkeitssteigerung und Legierungsaufbau Intermetallische Phasen als Konstruktionswerkstoffe Allgemeines Klassifizierung der intermetallischen Phasen Besondere Eigenschaften der intermetallischen Phasen Potentielle intermetallische Konstruktionswerkstoffe Edelmetall-Legierungen Verunreinigungen und Reinheitsgradverbesserung Allgemeines Einflüsse von Verunreinigungen auf die Eigenschaften Maßnahmen zur Reinheitsgradverbesserung Vergleich von Hochtemperaturwerkstoffen und Aspekte der Werkstoffwahl Hochtemperaturbeschichtungen Hochtemperatur -Korrosionsschutzschichten Funktion Beanspruchungen und Anforderungen...451

12 XII Inhaltsverzeichnis Aufbringverfahren CVD-Verfahren PVD-Verfahren Thermische Spritzverfahren Plattieren Beschichtungsarten und Eigenschaften Diffusionsschichten Auflageschichten Thermisch-mechanisches Verhalten beschichteter Bauteile Wärmespannungen Physikalische und mechanische Eigenschaften von Beschichtungen Thermozyklisches Verhalten Wärmedämmschichten Funktion Anforderungen Aufbringverfahren für Keramikschichten Arten und Eigenschaften Keramikschichten Haftschichten Maßnahmen an betriebsbeanspruchten Bauteilen Zustandsbeurteilungen Rekonditionierungsmaßnahmen Literatur Anhang Chemische Zusammensetzungen von Hochtemperaturlegierungen Handelsnamen Werkstoffverzeichnis Sachwortverzeich n is

13 XIII Zeichen und Einheiten Gleiche Zeichenverwendungen für andere Größen sind im Text besonders vermerkt. a Gitterparameter... [nm] a Temperaturleitfähigkeit..... [m2/s] a (chemische) Aktivität...[-] (welche Größe mit a gemeint ist, ergibt sich aus dem Zusammenhang) A Fläche, siehe So...[mm2] Au Zeitbruchdehnung... [-, %] b Betrag des Burgers-Vektors... [nm] c p spezifische Wärmekapazität (bei konstantem Druck)...[J kg-1 K-1] dk mittlerer Korndurchmesser... [ljm] dt mittlerer Teilchendurchmesser [ljm] o Diffusionskoeffizient... [m2/s] 00 Diffusions-Vorfaktor.... [m2/s] E Elastizitätsmodul... [GPa] f Frequenz... [s-1 = Hz] ft Teilchenvolumenanteil... [-, %] F Kraft, Last... [N] G Schubmodul... [GPa] G freie Enthalpie (Bezeichnung nach IUPAC: Gibbs-Energie)... [J, J/mol] (welche Größe mit G gemeint ist, ergibt sich aus dem Zusammenhang) ~ G a freie Aktivierungsenthalpie... [J, J/mol] H Enthalpie...[J, J/mol] kb Boltzmann-Konstante = 1, J K-1 Atom-1 Lo Ausgangslänge...[mm] Li momentane Länge...[mm] NA Avogadro-Konstante (Loschmidt-Konstante) = 6, Atome/mol NB Zyklenzahl bis zum Bruch... [-] Q Aktivierungsenergie...[J/Atom, J/mol] Qc Aktivierungsenergie des Kriechens...[J/Atom, J/mol] R Allgemeine Gaskonstante = 8,314 J K-1 mol-1 (R = NA kb) Re Streckgrenze ("Elastizitätsgrenze")...[MPa = N/mm2] R m Zugfestigkeit... [MPa] R p 0,2 0,2 %-Dehngrenze... [MPa]

14 XIV Zeichen und Einheiten Rm tls u Z Zeitstandfestigkeit für die Zeit t [h] bis zum Bruch bei der Temperatur S [OC].... [MPa] Zeitdehngrenze für die plastische Gesamtdehnung E [%] nach der Zeit t [h] bei der Temperatur S [OC]... [MPa] Entropie... [J/K, J K-1 mol-1] Ausgangsquerschnitt.... [mm2] momentaner Querschnitt..... [mm2] Zeit... [s, h] Belastungsdauer bis zum Bruch... [h] absolute Temperatur, siehe S... [K] Liquidustemperatur... [K] absolute Schmelztemperatur (bei Legierungen mit einem Schmelzintervall ist die Solidustemperatur gemeint), siehe Ss... [K] innere Energie... [J, J/mol] Einschnürung... [-, %] Wärmeübergangskoeffizient... [W m-2 K-1] thermischer Längenausdehnungskoeffizient... [K-1] (sofern nicht anders vermerkt, ist der mittlere Wert für das YKG YPh YSF E betrachtete Temperaturintervall gemeint: Uth = LlL. _1_ ) Lo Ll T spezifische Korngrenzflächenenergie... [mj/m2] spezifische Phasengrenzflächenenergie... [mj/m2] (spezifische) Stapelfehlerenergie... [mj/m2] technische Dehnung = Li -La ( 100 %)... [_, %] La Kriechdehnung... [-, %] elastische Dehnung... [-, %] inelastische Dehnung... [-, %] plastische Dehnung... [-, %] Gesamtdehnung... [-, %] thermische Dehnung... [-, %] wahre Dehnung = In(L/Lo)... [-] Dehn- oder Kriechgeschwindigkeit.... [s-1] sekundäre (stationäre) Kriechgeschwindigkeit... [s-1] Verformungsgrad (allgemein)... [-, %] Temperatur, siehe T... [OC] Schmelztemperatur, siehe Anmerkung bei T s... [OC] Wärmeleitfähigkeit..... [W m-1 K-1] mittlerer Teilchenabstand... [ijm] Poissonsche Zahl... [-]

15 Zeichen und Einheiten xv p Dichte... [g/cm 3] p Versetzungsdichte... [cm/cm 3] (welche Größe mit p gemeint ist, ergibt sich aus dem Zusammenhang) G mechanische (Normal-) Spannung... [MPa] Go Ausgangsspannung (Nennspannung) = F/So... [MPa] GdF Quetschgrenze, Druckfließgrenze ("d": Druck; "F": Fließen)... [MPa] Gth thermisch induzierte Spannung, Wärmespannung... [MPa] Gw wahre Spannung = F/Sj... [MPa] 1" Schubspannung... [MPa] D Atomvolumen...[nm3] Sofern nicht anders vermerkt, beziehen sich Prozentangaben bei Legierungselementen auf Masseanteile.

16 XVI Abkürzungen APS CVD EB-PVD HCF hdp HIP IPS kfz krz LCF Ig In ODS PVD REM RT TEM TF VPS atmosphärisches Plasmaspritzen chemische Gasabscheidung (Chemical vapour deposition) physikalische Gasabscheidung mittels Elektronenstrahlverdampfung (Electron beam-physical vapour deposition) hochzyklische Ermüdung (High cycle fatigue) hexagonal dichteste Packung heiß-isostatisches Pressen I nertgasplasmaspritzen kubisch-f1ächenzentriert kubisch-raumzentriert niederzyklische Ermüdung (Low cycle fatigue) Zehnerlogarithmus natürlicher Logarithmus (Ig x,., 0,434 In x) oxiddispersionsgehärtet (Oxide dispersion strengthened) physikalische Gasabscheidung (Physical vapour deposition) Rasterelektronenmikroskop Raumtemperatur (20 C) Durchstrahlungselektronenmikroskop thermische Ermüdung (Thermal fatigue) Vakuumplasmaspritzen