Praktikum Grundlagen der Werkstoffwissenschaft Teil 7: Kriechen
Bedeutung des Kriechens - Dauerhafter Einsatz von Hochtemperaturwerkstoffen bei hohen homologen Temperaturen T /T m - Beständigkeit der mechanischen Eigenschaften - Anwendbarkeit und Lebensdauerabschätzung von HT-Werkstoffen beim Einsatz in: + Energietechnik (Reaktorbau, Heiz-, Beleuchtungstechnik) + Antriebstechnik (Flugturbinen, Motoren) + Chemische Industrie + Hüttenwesen (Anlagen zur Rohstoffgewinnung) Kombination thermischer und mechanischer (sowie korrosiver) Belastung Nachstellung im Kriechversuch
Bedeutung des Kriechens - Dauerhafter Einsatz von Hochtemperaturwerkstoffen bei hohen homologen Temperaturen T /T m - Beständigkeit der mechanischen Eigenschaften - Anwendbarkeit und Lebensdauerabschätzung von HT-Werkstoffen beim Einsatz in: + Energietechnik (Reaktorbau, Heiz-, Beleuchtungstechnik) + Antriebstechnik (Flugturbinen, Motoren) + Chemische Industrie + Hüttenwesen (Anlagen zur Rohstoffgewinnung) Kombination thermischer und mechanischer (sowie korrosiver) Belastung Nachstellung im Kriechversuch
Begriffsdefinitionen Kriechen: plastische Deformation eines Werkstoffes in Abhängigkeit von der Zeit bei konstanter Temperatur Kriechkurve: graphische Darstellung des Kriechdehnung/Kriechrate in Abhängigkeit von der Zeit Zeitstandversuch: Ermittelung des zeitabhängigen Festigkeitsverhaltens bei konstanter Kraft und Temperatur Zeitstandschaubild: wird aus Kriechkurven für verschiedene Spannungen abgeleitet (lg σ lg t) Zeitstandfestigkeit: R m,t,t ist die Nennspannung, die bei einer Temperatur T nach einer Zeit t zum Bruch führt Zeitdehngrenze: R A,T,t ist die auf den ursprünglichen Querschnitt der Probe bezogene Nennspannung, die bei T und t zu einer bleibenden Dehnung A führt
Kriechstadien ε 0: zeitunabhängige Anfangsdehnung (elastischer und plastischer Anteil) Bereich I: Übergangs-, primäres Kriechen starke Abnahme der Dehngeschwindigkeit aufgrund Versetzungsmultiplikation und -umordnung (z.b. Subkornbildung durch Erholung, Polygonisation) Bereich II: stationäres/sekundäres Kriechen Bereich konstanter/minimaler Dehngeschwindigkeit mit einem dynamischen Gleichgewicht aus Ver- und Entfestigung (Versetzungsmultiplikation und -annihilation bzw. Überwinden von Hindernissen durch erhöhte Temperaturen Bereich III: tertiäres Kriechen Zunahme der Dehnrate durch innere Schädigung (Verringerung des tragenden Querschnitts durch Porenbildung) bis zum Kriechbruch
Bereich I Versetzungsdichteanstieg (Verfestigung) verursacht Abnahme der Kriechgeschwindigkeit Zunahme der Versetzungsdichte limitiert durch Erholungsvorgänge bei erhöhten Temperaturen (Klettern, Annihilieren, Hindernisüberwindung, etc.) Abb.: anfangs regellose Verteilung der Versetzungen Abb.: beginnenden Subkornbildung im Bereich I Abb.: fortgeschrittene Subkornbildung gegen Ende Bereich I Abb.: abgeschlossene Subkornbildung im Bereich II
Bereich II Gleichgewicht zwischen Versetzungsmultiplikation und Reduzierung der Versetzungsdichte bei mikrostrukturellen Veränderungen des Gefüges zeigt Kriechkurve eine Minimum in Bereich II Kriechrate ist eine exponentielle Funktion der Temperatur T und hängt über ein Potenzgesetz von der äußeren Spannung σ ab [ ε II = A σ n exp Q ] RT A... Konstante n... Kriechexponent Q... Aktivierungsenergie
Kriechmechanismen In Abhängigkeit von der homologen Temperatur (T /T m) und der anliegenden Spannung σ laufen beim Kriechen verschiedene mikroskopische Prozesse ab Versetzungskriechen Diffusionskriechen (Leerstellenbewegung allein führt zur Verformung) + Coble-Kriechen + Nabarro-Herring-Kriechen + Sonderfall: Harper-Dorn-Kriechen Korngrenzengleiten
Versetzungskriechen bei hohen T kann eine Versetzung ein Hindernis durch Klettern (Anlagern/Aussenden von Leerstellen) umgehen (Wechsel der Gleitebene) Aussenden/Anlagern von Leerstellen bestimmt Kriechrate Leerstellenstromdichte j (Austausch von Leerstellen zwischen Versetzungen) ist für die Verformung geschwindigkeitsbestimmend bei geringen T : Versetzungskerndiffusion bei hohen T : Volumendiffusion hohe Spannungen begünstigen die Versetzungskerndiffusion (ρ d ) es gilt: ε jρ d (ρ d σ 2 ): ε II = A [ kt σn D 0 exp Q ] B + Q W kt }{{} D V gilt nur für Bereich II power-law-breakdown: Versagen des Norton-Kriechens ( ε exp[σ]) bei ε, σ
Diffusionskriechen: Coble-Kriechen Korngrenzen sind Senken und Quellen von Leerstellen Leerstellen an Korngrenzen die in Richtung der Korngrenzennormalen unter Zugspannung stehen diffundieren zu Korngrenzen bei denen Normal zu den Korngrenzen Druckspannungen herrschen ε ist proportional zur Leerstellenstromdichte j Leerstellen diffundieren entlang der Korngrenzen (niedrige T, geringe Q): ε = A C σ Ω kt δ DKG d 3 vor allem bei kleinen Korngrößen wichtig
Diffusionskriechen: Nabarro-Herring-Kriechen Korngrenzen sind Senken und Quellen von Leerstellen Leerstellen an Korngrenzen die in Richtung der Korngrenzennormalen unter Zugspannung stehen diffundieren zu Korngrenzen bei denen Normal zu den Korngrenzen Druckspannungen herrschen ε ist proportional zur Leerstellenstromdichte j Leerstellen diffundieren durch das Kornvolumen (hohe T, große Q): ε = A NH σ Ω kt DV d 2 kleine Körner begünstigen den Kriechvorgang: ε 1/d 2
Diffusionskriechen: Sonderfall: Harper-Dorn-Kriechen tritt bei sehr großen Körnern auf bei geringen Spannungen nahe am Schmelzpunkt n = 1, aber Kriechraten deutlich über dem Nabarro-Herring-Modell Verschwinden der Abhängigkeit der Kriechrate von der Korngröße Mechanismus noch nicht vollständig geklärt
Korngrenzengleiten + Metalle: geringer Beitrag zur Verformung hauptsächlich als Akkommodationsprozeß (Kompatibilität der Körner) kann zu Schädigung (Aufreissen der Korngrenzen) führen Resistenz gegen Abgleiten vorteilhaft, da Verformung und Materialschädigung reduziert + Keramiken: Korngrenzengleiten begrenzt die Temperaturfestigkeit amorphe Glasphase an Korngrenzem mit geringem Erweichungspunkt bewirkt, daß Körner leicht aneinander abgleiten können (ohne Notwendigkeit der Versetzungsbewegung)
Verformungsmechanismus-Diagramme (Ashby-maps) + T, σ : rein elastische Verformung + T, σ : Diffusionskriechen (n bei σ ) Darstellung der Kriechverformungsmechanismen in Abhängigkeit von der Temperatur und der Spannung Diagramme sind abhängig von Werkstoff und Gefüge Einflüsse von Korngröße (Kriechen setzt später ein) und Dehnrate (begünstigt Versetzungskriechen) + Q KG < Q V Coble-Kriechen bei geringeren T als Nabarro-Herring-Kriechen + T, σ : Zunahme des Versetzungskriechens (n ) + Q VL < Q V Diffusion entlang Versetzungsline bei geringeren T dominant + n VL > n V, beide Felder nicht durch senkrechte Linie getrennt + σ : plastische Verformung (theoretische Festigkeit bei σ G/10)
Bereich III Kriechschädigungen 1) Keimbildung von Schädigungen 2) einzelne Mikroporen (Cavities) 3) Mikroporenketten (Nachweisgrenze) 4) Mikrorisse Bruch durch Makrorisse ε steigt nach Minimum in Bereich II wieder an Bildung von Poren und Mikrorissen Schädigungen verringern tragenden Probenquerschnitt, Kerben führen zu Spannungsüberhöhungen endet mit Kriechbruch! Material versagt zumeist an den Korngrenzen (interkristalliner Bruch)
Kriechporen Runde Poren Werkstück ändert Länge in Richtung der anliegenden Spannung und dabei Material aus Bereichen der Pore in Nachbarbereiche verlagert Poren treten nach langen Standzeiten auf, da hier und bei hohen Temperaturen die Wahrscheinlichkeit für die Überwindung der Keimbildungsbarriere hoch genug ist Keilporen durch Spannungsüberhöhungen reißen Korngrenzen bei überschreiten der Spaltfestigkeit an Tripelpunkten auf
Kriechschädigung Abb.: Porenketten entlang der Korngrenzen nach Kriechbelastung der Nickelbasis - Superlegierung Nimonic 91, (R. Bürgel, Hochtemperatur - Werkstofftechnik) Abb.: Korngrenzenkeilrisse im austenitischen Stahl Alloy 802, (R. Bürgel)
Erhöhung der Kriechbeständigkeit I hohe Aktivierungsenergien für Bildung und Diffusion von Leerstellen sind gekoppelt an Bindungskräfte im Werkstoff (vgl. Schmelztemperatur T m) dichtest gepackte Kristallordnungen grobes Korn verlangsamt Verformung durch lange Diffusionswege gestreckte Körner bzw. einkristalline Materialien besonders geeignet temperaturbeständige Mechanismen der Behinderung der Versetzungsbewegung - Mischkristallhärtung - Ausscheidungshärtung
Erhöhung der Kriechbeständigkeit II Mischkristallhärtung gut geeignet wenn Fremdatome hohe Aktivierungsenergie für Diffusion haben starke Bindung mit Wirtsgitter Ausscheidungshärtung gut geeignet wenn Teilchen fein verteilt und stabil sind (meist kohärent und metastabil) bei inkohärenten Teilchen sind Grenzflächenenergien hoch (beschleunigtes Wachstum, Verlust der Festigkeit)
Exkurs: Interfacial Pinning hohe Kriechbeständigkeit in dispersionsgehärteten Materialien Spannungsexponenten mit n = 20... 200 (Kriechrate sinkt stark mit fallender Spannung) verursacht durch Wechselwirkung von Versetzungen mit Dispersoiden: - kleine Teilchen können leicht durch Klettern überwunden werden - Linienenergie der Versetzung an der Grenzfläche des Dispersoids verringert Anziehung zwischen Teilchen und Versetzung - zum Ablösen ist hohe Energie nötig (äußere Spannung + thermische Aktivierung) Mechanismus ist in hohem Maße von der Spannung abhängig
Einsatzbereiche von Hochtemperaturwerkstoffen
Einleitung Grundlagen Technologische Aspekte des Kriechens Berechnungen Sta hle fu r Hochtemperaturanwendungen kfz-gitter (austenitisch), da Diffusionsgeschwindigkeit hier ca. 150x geringer als im krz-gitter (Ferrit) teilchengeha rtet durch Carbide (Fe3 C, Cr23 C6, VCx ) mischkristallverfestigt durch gelo stes Mo und Cr Korngrenzen mit Partikeln belegt (Verringerung Korngrenzengleiten) Abb.: G-X40CrSi29: Cr-Carbide auf den Korngrenzen, (R. Bu rgel, Hochtemperatur - Werkstofftechnik) Abb.: Subkorngrenzen im austenitischen Stahl 800H nach Kriechbeanspruchung im Bereich II (R. Bu rgel)
Einleitung Grundlagen Technologische Aspekte des Kriechens Berechnungen Nickel-Basis-Superlegierungen Auftreten einer koha renten Gleichgewichtsphase zur Ausscheidungsbildung: γ 0 (Ni3 Al) Einsatz bis 0, 75 Tm Al - Atome (teilweise ersetzt durch Ti, Ta) auf Wu rfelecken des kfz - a hnlichen Gitters, Ni auf Fla chenmitten Verringerung des Gittermisfits von Al und Ni (ca. 1%) auf 0.1... 0.2% durch Legieren verkleinert die Grenzfla chenenergie, verlangsamt die Vergro berung Ausscheidungsanteil bis zu 70% Versetzungen in Ni-Matrix werden zu langen Schlingen ausgezogen, die sich durch enge Kana le zwischen Wu rfel hindurchzwa ngen Belastungen: mehrere 100 MPa bei ca. 1000 und mehrere 1000 Stunden Abb.: Ausgangsgefu ge: wu rfelige γ 0 -Ausscheidungen in Ni-Matrix (R. Bu rgel) Abb.: Gefu ge nach Kriechbeanspruchung: Floßstruktur (R. Bu rgel)
Literaturhinweise + R. Bürgel: Handbuch Hochtemperaturwerkstofftechnik, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/Wiesbaden, 2001, 2. Auflage, ISBN - 3-528-13107-7 + W. Blum: High-Temperature Deformation and Creep of Crystalline Solids, in R.W. Cahn, P. Haasen, E.J. Kramer (Eds.): Materials Science and Technology Vol. 6/7 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2005, ISBN 978-3-527-31395-8 + M. Kassner, M.T. Perez-Prado: Fundamentals of Creep in Metals and Alloys, Elsevier Ltd. Oxford 2004, 1. Edition, ISBN 0-08043637-4
Aktivierungsenergie von γ Fe geg.: ϑ 1 = 865 C T 1 = 1138 K ε 1 = 3, 4 10 2 min 1 = 5, 67 10 4 s 1 ϑ 2 = 922 C T 2 = 1195 K ε 2 = 1, 58 10 1 min 1 = 2, 63 10 3 s 1 R = 8, 314472 J (mol K) 1 ges.: Q γ Fe + Mechanismus
Aktivierungsenergie von γ Fe geg.: ϑ 1 = 865 C T 1 = 1138 K ε 1 = 3, 4 10 2 min 1 = 5, 67 10 4 s 1 ϑ 2 = 922 C T 2 = 1195 K ε 2 = 1, 58 10 1 min 1 = 2, 63 10 3 s 1 R = 8, 314472 J (mol K) 1 ges.: Q γ Fe + Mechanismus für den Bereich des stationären Kriechens gilt: Q = R T 1 T 2 T 2 T 1 [ln ε 2 ln ε 1 ]
Aktivierungsenergie von γ Fe geg.: ϑ 1 = 865 C T 1 = 1138 K ε 1 = 3, 4 10 2 min 1 = 5, 67 10 4 s 1 ϑ 2 = 922 C T 2 = 1195 K ε 2 = 1, 58 10 1 min 1 = 2, 63 10 3 s 1 R = 8, 314472 J (mol K) 1 ges.: Q γ Fe + Mechanismus für den Bereich des stationären Kriechens gilt: Q = R T 1 T 2 T 2 T 1 [ln ε 2 ln ε 1 ] Q γ Fe = 304, 37 kj mol 1 Selbstdiffusion in γ-fe entspricht der Aktivierungsenergie für das Kriechen
Kriechkurve von AlMg2,5Mn (FNE)
Aktivierungsenergie des Kriechens: AlMg2,5Mn a) AlMg2,5Mn kaltverformt ϑ a = 150 C T a = 423 K ε a 1 = 0, 05% = 5 10 4 t a 1 = 16 h = 57600 s ε a 2 = 0, 18% = 1, 8 10 3 t a 2 = 448 h = 1612800 s b) AlMg2,5Mn kaltverformt ϑ b = 200 C T b = 473 K ε b 1 = 0, 65% = 6, 5 10 3 t b 1 = 16 h = 57600 s ε b 2 = 3, 0% = 3 10 2 t b 2 = 120 h = 432000 s c) AlMg2,5Mn weichgeglüht ϑ c = 150 C T c = 423 K ε c 1 = 0, 04% = 4 10 4 t c 1 = 16 h = 57600 s ε c 2 = 0, 22% = 2, 2 10 3 t c 2 = 368 h = 1324800 s
Aktivierungsenergie des Kriechens: AlMg2,5Mn a) AlMg2,5Mn kaltverformt ϑ a = 150 C T a = 423 K ε a 1 = 0, 05% = 5 10 4 t a 1 = 16 h = 57600 s ε a 2 = 0, 18% = 1, 8 10 3 t a 2 = 448 h = 1612800 s b) AlMg2,5Mn kaltverformt ϑ b = 200 C T b = 473 K ε b 1 = 0, 65% = 6, 5 10 3 t b 1 = 16 h = 57600 s ε b 2 = 3, 0% = 3 10 2 t b 2 = 120 h = 432000 s c) AlMg2,5Mn weichgeglüht ϑ c = 150 C T c = 423 K ε c 1 = 0, 04% = 4 10 4 t c 1 = 16 h = 57600 s ε c 2 = 0, 22% = 2, 2 10 3 t c 2 = 368 h = 1324800 s Lsg.: 1) Ermittlung der Kriechgeschwindigkeiten ε = dε dt ε t ε a = 8, 3591 10 8 % s 1 ε b = 6, 27671 10 6 % s 1 ε c = 1, 42045 10 7 % s 1
Aktivierungsenergie des Kriechens: AlMg2,5Mn a) AlMg2,5Mn kaltverformt ϑ a = 150 C T a = 423 K ε a 1 = 0, 05% = 5 10 4 t a 1 = 16 h = 57600 s ε a 2 = 0, 18% = 1, 8 10 3 t a 2 = 448 h = 1612800 s b) AlMg2,5Mn kaltverformt ϑ b = 200 C T b = 473 K ε b 1 = 0, 65% = 6, 5 10 3 t b 1 = 16 h = 57600 s ε b 2 = 3, 0% = 3 10 2 t b 2 = 120 h = 432000 s c) AlMg2,5Mn weichgeglüht ϑ c = 150 C T c = 423 K ε c 1 = 0, 04% = 4 10 4 t c 1 = 16 h = 57600 s ε c 2 = 0, 22% = 2, 2 10 3 t c 2 = 368 h = 1324800 s Lsg.: 1) Ermittlung der Kriechgeschwindigkeiten ε = dε dt ε t 2) Berechnung der Aktivierungsenergie für das Kriechen Q = R T a T b [ln T b T ε b ln ε a] a ε a = 8, 3591 10 8 % s 1 ε b = 6, 27671 10 6 % s 1 ε c = 1, 42045 10 7 % s 1
Aktivierungsenergie des Kriechens: AlMg2,5Mn a) AlMg2,5Mn kaltverformt ϑ a = 150 C T a = 423 K ε a 1 = 0, 05% = 5 10 4 t a 1 = 16 h = 57600 s ε a 2 = 0, 18% = 1, 8 10 3 t a 2 = 448 h = 1612800 s b) AlMg2,5Mn kaltverformt ϑ b = 200 C T b = 473 K ε b 1 = 0, 65% = 6, 5 10 3 t b 1 = 16 h = 57600 s ε b 2 = 3, 0% = 3 10 2 t b 2 = 120 h = 432000 s c) AlMg2,5Mn weichgeglüht ϑ c = 150 C T c = 423 K ε c 1 = 0, 04% = 4 10 4 t c 1 = 16 h = 57600 s ε c 2 = 0, 22% = 2, 2 10 3 t c 2 = 368 h = 1324800 s Lsg.: 1) Ermittlung der Kriechgeschwindigkeiten ε = dε dt ε t 2) Berechnung der Aktivierungsenergie für das Kriechen Q = R ε a = 8, 3591 10 8 % s 1 ε b = 6, 27671 10 6 % s 1 ε c = 1, 42045 10 7 % s 1 T a T b [ln T b T ε b ln ε a] Q a,b = 143, 69 kj mol 1 a
Aktivierungsenergie des Kriechens: AlMg2,5Mn a) AlMg2,5Mn kaltverformt ϑ a = 150 C T a = 423 K ε a 1 = 0, 05% = 5 10 4 t a 1 = 16 h = 57600 s ε a 2 = 0, 18% = 1, 8 10 3 t a 2 = 448 h = 1612800 s b) AlMg2,5Mn kaltverformt ϑ b = 200 C T b = 473 K ε b 1 = 0, 65% = 6, 5 10 3 t b 1 = 16 h = 57600 s ε b 2 = 3, 0% = 3 10 2 t b 2 = 120 h = 432000 s c) AlMg2,5Mn weichgeglüht ϑ c = 150 C T c = 423 K ε c 1 = 0, 04% = 4 10 4 t c 1 = 16 h = 57600 s ε c 2 = 0, 22% = 2, 2 10 3 t c 2 = 368 h = 1324800 s Lsg.: 1) Ermittlung der Kriechgeschwindigkeiten ε = dε dt ε t 2) Berechnung der Aktivierungsenergie für das Kriechen Q = R bekannte Werte sind: ε a = 8, 3591 10 8 % s 1 ε b = 6, 27671 10 6 % s 1 ε c = 1, 42045 10 7 % s 1 T a T b [ln T b T ε b ln ε a] Q a,b = 143, 69 kj mol 1 a Korngrenzendiffusion: Q = 84 kj mol 1 (Coble-Kriechen) Versetzungsklettern: Q = 82 kj mol 1 (Versetzungskriechen) Volumendiffusion: Q = 140 kj mol 1 (Nabarro-Herring-Kriechen)