Werkstoffe der Energietechnik

Ermüdung-Kriechen: Abplatzen von Wärmedämmschichten (TBC)

Kriechen-Korrosion: Abplatzen der Schutzschicht

Korrosion-Ermüdung: Abplatzen spröder Schutzschichten

1. Abreinigen durch Wasserstrahl

2. Abplatzen der schützenden Oxidschicht

3. Neubildung von Oxid

4. Materialverbrauch

5. Abnahme der Wandstärke des Rohres

6. Anstieg der Kriechspannung

7. Kriechbruch des Rohres

Verlust an metallischer Wanddicke (und damit am tragenden Querschnitt)

Spannung_th = alpha_th * Delta T _* E = Dehnung_{th * ^E}

q* = -q'_th * dT/dx

Vorteilhaft ist eine hohe thermische Leitfähigkeit, damit die Wärme "abtransportiert" werden kann.

hochfrequente Ermüdungsbeanspruchung: Laufschaufel -> volle Strömung - Windschatten

niederfrequente thermische Ermüdung:

Wärme von außen auf Volumen -> Druck

Kälte von außen auf Volumen -> Zug

Sigma_U(250) = 25 MPa * 500 mm / 2 * 100 mm  =  62,5 MPa

Sigma_U(300) = 30 MPa * 500 mm / 2 * 100 mm  =  75 MPa

Sigma_U = p * d / 2 * x

p: Druck

d: mittlerer Rohrdurchmesser

x: Rohrdicke

Dampturbine: Rotor, Laufschaufeln

Dampferzeuger: Membranwände, Sammlerrohre, Rohrkrümmer

Gasturbine: Brennkammer und Laufschaufeln

Dampfturbine: 600 °C, 300 bar, 1200 MW

Gasturbine: 1000-1400 °C, 20-25 bar, 100-350 MW

Turbine - Generator - Verbraucher

1.) Erhöhung der Eintrittstemperatur:

-> Werkstofftechnische Herausforderung: Kriechen, Ermüdung, Oxidation

2.) Senkung der Austrittstemperatur:

-> oftmals nicht möglich: Kühlwassertemperatur

Verhältnis zwischen reingesteckter Energie und gewonnener elektr. Energie

Wirkungsgrad (eta) = 1 - T₂/T₁

Nein, da die Versetzungsstrukturen beim Kriechen erst nach hohen plastischen Verformungen auftreten.

Geschwindigkeit der Spannungsabnahme beim Relaxationsversuch ist ein Maß für die Geschwindigkeit der plastischen Verformung.

elastische Dehnung wird nach und nach in plastische Dehnung umgewandelt (totale Dehnung bleibt konstant)

positiv: für Wärmebehandlung zum Abbau von Schweißeigenspannungen oder dort wo es Spannungskonzentrationen an Rissspitzen gibt.

negativ: Verlust an Vorspannkraft einer hohen Temperaturen ausgesetzten Schraubverbindung

Bei hoher Temperatur wird einer Probe eine Dehnung aufgezwingt -> Spannung steigt an -> Dehnung wird konstant gehalten -> Beobachtung, wie die Spannung der Probe als Funktion der Zeit relaxiert.

Kriechporen machen sich im metallographischen Querschliff als kleine Löcher auf Korngrenzen bemerkbar.

Porenkeimbildung: kleine Mengen von Verunreinigungen sind sehr wesentlich beim Entstehen von Kriechporen.

Porenwachstum: Damit ein Hohlraum wachsen kann, müssen Atome abtransportiert werden.

Ein Werkstoff kann sich auch nur durch Diffusion verformen. Triebkraft: spannungsunabhängige thermodynamische Potential der Leerstellen

Nabarro-Herring-Kriechen: Diffusion im ganzen Volumen

Coble-Kriechen: Atome diffundieren über Korngrenzen

• Teilchenvergröberung: härtende Teilchen können bei hohe Temperaturen vergröbern (Ostwald-Reifung). Festigkeitssteigerung nimmt ab. Prozess, der zum tertiären Kriechen beiträgt.
• Kriechporenbildung: Auf den Korngrenzen des Werkstoffes können durch Keimbildung und Wachstum Poren entstehen.

Gleichgewicht zwischen Verfestigung und Erholung

Die Kriechrate hängt sehr viel stärker als linear von Spannung und Temperatur ab.

E_S = A′ * Spannungⁿ * exp (- Q_eff / R*T)

1. Primäres Kriechen: Hier überwiegt die Verfestigung und die Kriechrate nimmt ab.
2. Sekundäres und stationäres Kriechen: Minimale Kriechgeschwindigkeit. Gleichgewicht zwischen Verfestigung und Erholung.
3. Tertiäres Kriechen: Hier nimmt aufgrund von Schädigungsprozessen (Kriechporenbildung, Teilchenvergröberung) die Kriechrate zu.

Er stellt eine Art temperaturkompensierte Zeit dar: P_LM = T * (C + log (t))

Damit Versuchsergebnisse, die von verschiedenen Temperaturen stammen, auf einer Kurve im Zeitstandsdiagramm abgebildet werden können.

zeitabhängige plastische Verformung eines Werkstoffs unter konstanter Last