Werkstoffe der Energietechnik

- Teilchenhärtung: Blockierung/Verzögerung der versetzungsbewegung, reduzierte Erholungsrate

- hoher Teilchenvolumenanteil: je mehr Teilchen/Versetzung wechselwirken, umso stärkere Blockierung/Verzögerung der Versetzungsbewegung

- kohärente Teilchen mit geringer Grenzflächenenthalpie zur Matrix (Dispersoide): sehr geringe Vergröberungsneigung der Teilchen, besonders starke WW Teilchen/Vers.

- Teilchen mit geringem Diffkoeff. des betreffenden Legierungselementes: geringe Vergröberungsneigung der Teilchen

- Teilchenhärtung: Blockierung/Verzögerung der versetzungsbewegung, reduzierte Erholungsrate

- hoher Teilchenvolumenanteil: je mehr Teilchen/Versetzung wechselwirken, umso stärkere Blockierung/Verzögerung der Versetzungsbewegung

- kohärente Teilchen mit geringer Grenzflächenenthalpie zur Matrix (Dispersoide): sehr geringe Vergröberungsneigung der Teilchen, besonders starke WW Teilchen/Vers.

- Teilchen mit geringem Diffkoeff. des betreffenden Legierungselementes: geringe Vergröberungsneigung der Teilchen

- Grobkorngefüge: geringer Korngrenzenanteil -> dadurch geringer Kriechverformung, geringer Verformungsanteil durch diffkriechen, Übergang von versetzungs- zu Diffusionskriechen wird zu geringeren Kriechgeschwindigkeitenverschoben -> geringer Kriechgeschw. bei gleicher Spannung, geringere Zeitbruchverformung gegenüber Feinkorn aufgrund größerer freier Gleitlänge der KG

- Verzahnung der Kg durch Ausscheidungen: behindert KGgleiten und geringere Rissgefahr bei otimaler Größe und Dichte der Ausscheidungen, reduz. Diff.kriechanteil wegen behinderter KGgleitung

-

- optimierte Wärmebehandlung: optimalern Teilchendurchmesser einstellen, Seigerungen beseitigen, korngrenzenrauhigkeit gezielt einstellen -> behindert Korngrenzengleiten

- Kaltverformung vermeiden: induzierte KG-Stufen oder sogar Anrisse, kann zu Rekristalisation führen, Festigkeitssteigerung geht durch Erholung zurück

- höherer Reinheitsgrad der Legierung: Vermeidung unerwünschter Phasen, Kgkohäsion nicht durch schädliche Spurenelemente mindern, dadurch vermindere Rissgefahr

- gerichtete Kornstrucktur in Hauptbelastungsrichtung: wenig Kg- gleiten -> viele Längskorngrenzen, behinddert interkristalline Rissgefahr und Wachstum, Anteil Transversalkg minimiert -> Isotropes Wrkstoffverhalten

- Einkristall: alle auf Kg konzentrierte Effekte entfallen, kein Kggleiten, keine interkristalline Schädigung, kein diffkriechen, nur Versetzungskriechen, orientierung in günstigere Richtung mgl, fehlende Kgkorr., keine KGverfestigenden Elemente notwendig

Optimierung EModul-> niedrig bei Einkristallen um spät in plastischen Bereich zu kommen

- geringere Dichte bei eigengewichts und rotierenden BT: Spannungen werden verringert, Zeitreißlänge maßgeblich für BT-Auslegung

- hohe Korrbeständigkeit: sonst: schneller Abtrag tragender Querschnitt, korrosionsbedingte Gefügeveränderung mit neg. Auswirkung auf Kriechfestigkeit

...

- ferritische Stähle

- 600°C

- gute Zeitstandfestigkeit aufgrund karbidhärtung und MKhärtung

-

martensitische Stähle

- 9-12% Chrom

- einsatz bis 600°C

- gute Zeitstandfestigkeit, gute Zunderbeständigkeit

- Nachteile :nicht gut hochtemp. korr beständig

noch keineLangzeitfestigkeitswerte

austenitische Stähle

- gute Zeitstandfestigkeit durch Teilchenhärtung

Karbidbildner: TiC, NbC, M23C6 M=Fe, Cr,Mo

- Gut HTK- Beständig

- bis 700°C einsetzbar

- Nachteile: - wärmespannung durch schlechte Wärmeleitfähigkeit

- empfindlich gegen Thermoermüdung

- Teuer aufgrund der LE

ferritisch

- hoch Korr.best. Cr. Gehalt ca 20%

- für höchste Termische Belastung mit 4-6% Al -> Kanthal

austenitisch

- hoher Ni- Gehalt

Vorteile:

- Ni kfz-gitter

- gut korr.best. bei zugabe von Cr

- Steigerung Zeitstandfestigkeit durch LE

Nachteile

vergleichsmäßig niedriger Schmelzpkt von Ni 1600°C

geringe wärmeleitfähigkeit, hoher Wärmeausdehnungskoeff. neigung zu thermischer Ermüdung

- chem. energieträger mit der höchsten spez. Energiedichte

- umwandlung von elek. Energie in H2 und Rückverstromung als direkter elek. chem. Prozess

- gute Wirkungsgrde in allen Lastbereichen

- CO2 freie Erzeugung, aus gegenerativen Energien herstellbar

- kann zur reversiblen speicherung großer Wärmemengen verwendet werden MgH2

- Brennbarkeit

- volumetrische Speicherdichte

physikalische Lsg.:  Druckspeicher (Flüssiggas), speichern großer Volumina (Gasnetz), Kryo-Speicher

chem. Lsg. Metallhydridspeicher, Methanisierung (Power to gas)

- Elektrolyse, Photokatalytisch: 2H2O -> 2H2 + O2

Vorteil: CO2 freieer Betrieb, teile industrielle Produktion

Nachteil: Poduktionskosten noch zu hoch

- fossile Rohstoffe: Dampfreformer, Kohlevergaser

CH4 + H2O -> 3 H2 + CO2

3 C + O2 + H2O -> H2 + 3 CO

Vorteil: kostengünsig, industrielle Produktion

Nachteil: Rohstoffverknappung, hoher CO2 Ausstoß

Biomasse: Stoffwechsel Prozesse ( Fermentierung)

HCOOH -> H2 + CO2

Vorteil: geringer Stromverbrauch, autarker Betrieb

Nachteil: industriell nicht umsetzbar, Nahrungsmittelkonflikt

- Schwellen (Wandern von Leerstellen, Clustern führt zu Volumenvergrößerung)

bis 40/50%

- Bestrahlungshärtung (vorallem durch schnelle Neutronen)

- induzierte Versetzungsbildung -> Härtung -> Versprödung

- Verschiebung spröd- duktil Übergang zu höheren Temp.

- Material wird eher spröde -> sicherheitsrelevant

- Heliumgasbildung

- Umwandlung von Fe, B in Isotope über Transmutationen -> Bildung von He in Blasenform

- führt zu Versprödung

- austenitischer Stahl - eher ungeeignet -> ohne Nickel, Mo,Nb

- ferritischer Stahl - mit Cr, W, Ta

- Forschung geht zu Carbon (TiC), Beryllium, Wolfram -Werkstoffen (W am besten aktuell)

- wechselseitige Umwandlung von Wärme und elek. Strom

- Seebeck- Effekt: Temperaturänderung erzeugt Spannung (Energiegewinnung)

- Peltier- Effekt: anlegen äußerer Spannung erzeugt Wärmegradient (Wärmetransport)

- Abwärme kann überall genutzt werden

- unabhängig von Umgebungsbedinungen

- keine bewegten Teile, keine Geräuche, keine Vibration

- fast wartungsfrei

- miniaturisierbar, geometrisch variabel

- Effekt umkehrbar: heizen und kühlen mgl

Nachteil: geringe Effizienz

ZT ~ 1

ZT = S^2*sigma*T/kapa  

T...absolute Temperatur, sigma elekt. Leitfähigkeit, S...Seebeck- Koeffizient,  kappa...thermische Leitfähigkeit

ZT soll maximal werden dazu hohe Thermospannung, hohes Sigma, geringe Wärmeleitfähigkeit

Problem:  Kopplung zw. S+sigma  geringe Leitf. -> geringe thermische Leitung

Lösung: schwer dotierte Halbleitermaterialien

Nachteil: Materialien z.T.  umweltschädigend

SiGe -> teuer

B2Te3

PbTe

Mangan- Mg silicide wieso?: günstig, nicht toxisch, gute mech. Eigenschaften, akzeptabler ZT

bestänig gegen Lichtbogen, zusätzlich durch Lb Entstehung von Gasen -> Reaktion mit Sauerstoff

- Abbriebfestigkeit

- Verschweißresistenz

- kleiner Kontakwiderstand -> niedrige Übergangstemp.

- geringe Materialwanderung

- gute Lichtbogenlaufeigenschaften

- günstiges Lichtbogenlöschverhalten

- konst. Werkstoffqualität mit guten phsik., mech. chem. Eigenschaften

- kostengünstige Fertigung

- gute Verarbeitbarkeit, löt- und schweißbar

Lösung: Verbundwerkstoffe mittel PM

z.B Wolfram - Kupfer (Matrix W, 2.Phase Cu -> Flüssigphasensintern)

 Kupfer -Chrom, Ag- haltige Kontaktwerkstoffe z.B Silber/grafit

- hohe therm. Ausdehnung

- geringer Ausdehnungkoeff.

-mech. stabil

- resistent gegen Kühlwasser

- lötbar

Werkstofflösungen:

Cu/Diamant, Cu Grapgit (CuSiC, Al/Diamant, aL/Graphit, Cu/CFaser, W/Graphit,

Verbundwerkstoffe Matrik + Verstärkungskomp. (min. Gfwiderstand, hohe Haftfestigkeit

- hohe therm.Langzeit Gefügesabilität :Kriech- und Zeitstandfestigkeit

- niederzyklische Ermüdungsfestigkeit

- hohe thermo-mech. Ermüdungsfestigkeit

- hochzyklische Ermüdungsfestigkeit bei schwingenden BT

- Mindestduktilität und Zähigkeit

- ausreichende HT-Korrosionsbeständigkeit

- reproduzierbare Herstellbarkeit, Be- und Verarbeitbarkeit

- zerstörungsfreie Prüfbarkeit krit. Fehlergrößen

- falls erforderlich Beschichtbarkeit

- Ausheilen Nulldem. Gitterfehler (erreichen der therm. GGWkonz.)

- Umordnung von Versetzungen

- Quergleiten von Schrauben- und Klettern von Stufenversetzungen

- Anordnung in energetisch günstigen KWKG versetzungsärmere Subkörner (Poligonisation)

- bei höheren Temp.  als Kristallerholung

- Neubildung der Kristalle (Wandern und Bildung von GwKG

- KG wandern in Versetzungsreiches Gebiet und hinterlässt versetzungsärmere Kristalle

normale Vergröberung und sekundäre Rekrist.

sek. Rek. vorwiegend i Legierungen bei denen konst. Vergröberung durch Ausscheidung verhindert wird→ unregelmäßige Vergröberung → beeinträchtigt stark die Eigenschaften des Materials

Vorraussetzung:

- MK-Bildung bei hohen Temp.

- abnehmende Löslichkeit beim Abkühlen

- generell: schnelles Abkühlen Übersättigung→ Auslagern in 2 Phase→Gebiet zur Bildung der Ausscheidung

- kohärent (keine Verzerrung, Phasengrenzflächenenthalphie gering)

- inkohärent (hohr Verzerrung, Phasengrenzflächenenthalphie hoch)

- semikohärent (geringe Verzerrung, Phasengrenzflächenenthalphie mittel)

delta G = delta G mech + deltaG grenz + delta G vol + delta G def

Keimbildungsrate abhängig von aktivierungsenergie und Thermodyn. Beildung

bevorzugt herter. Keimbildung

- kleine Teilchen zugunsten größerer Aufgelöst (oberflächenenthalpie entscheidend

- Ziel: längere Zeit unveränderte Eigenschaften

- Teilchenvergröberungskonst k möglichst klein  k= alpha*D*gamma*c*Vm²/(T*R)

 niedriger Diffkoeff. durch z.b substitution

niedriger Gamma- Wert  (Phasengrenzflächenenth.) durch mgl. identische gitter Matrix und Ausscheidung

niedriger c- wert durch geringe Löslichkeit der Phase oder elemente in Matrix

- Gefügeinstabilitäten bei hohen Temperaturen in mehrphasigen Legierungen→neg. Kriechen

- Ausscheidungsvsorgänge aus übersättigten Lsg.

- Aussscheidungsumwandlungen

-Ausscheidungsumlösungen (Vergröberung)

- Bildung von übersruckturen

- evtl- Karbidumwandlung, Vergröberung o. Morphologieänderung u/o. Änderung der zusammensetzung der gamma' ausscheidung

-meisten Metalleigenschaften bei RT Zeit und Geschwindigkeitsunabhängig

- bei T >0,4Ts Eigenschaften Temp. ABHÄNGIG

- relative Festigkeitssteigerung durch vier Härtungsmech.

Ausscheidungshärtung

Kaltverfestigung (bei HT nicht geeignet)

KorngrenzzenHärtung (bei HT effizient)

Kornfeinung (bei HT nicht geeignet)

sigma a = sigma eff + sigma i

Sigma a... äußere Spannung, sigma eff...thermisch aktivierbare Spannung, sigma i athermische Spannung

- sigma eff: Peilersspannung, Schneidspannung, Quergleiten

- sigma i : innere Spannung durch Spannungsfelder und Versetzungen

wichtig bei T>0,4Tm klettern von Stufenversetzungen, Verlassen dadurch die Gleitebene

- bei T>0,4Tm Verlassen der GE

- Auslöschen von Stufenversetzungen

- Umordnung von Stufenversetzungen gleichen Vorzeichens in Kleinwinkelkorngrenzen

- Überklettern von Hindernissen/Teilchen

- Vgl. der Bewegung sprunghafter Schraubenversetzungen bei tiefenund hohen Temp.

Sigma int = alpha*G*b*wurzel roh

- repräsentieren langreichweitige spannungsfelder der Versetzungs- und Gitterverzerrung

- Hindurchdrücken durch Hindernisse erfordert Passierspannung sigma int

- äußere spannung + erhöhte Temp. → erholende und verfestigende Mechanismen

- T<0,4Tm

Festigkeitswerte zeitunabhängig (Streckgrenze, Zugfestigkeit)

Stufenversetzungen können GE nicht verlassen, Versetzungsstrucktur eingefroren

plastische Verformung oberhalb Fließgrenze

Verformungsbetrag bei sigma konst praktisch spontan und Zeitunabhängig

weitere Verformung nur bei Spannungssteigerung mgl

Versetzungslaufwege durch KG begrenzt

Körner bewegen sich nicht entlang der KG

Verformung nur durch Versetzungsbewegung

T>0,4Tm

Festigkeitskennwerte Zeiabhängig

Stufenversetzungen könnenGE durch Klettern verlassen, nicht eingefroren

Kriechverformung bei allen Spannungen mgl

Verformungsbeitrag nicht zeitbhängig

bei konst. Spannung stetige Verformung

Hall-Petch Bez. gilt im Kriechbereich nicht, grobkörniges Gefüge kriechfester

Körner gleiten entlang ger KG

Verformung der Versetzungsbewegung und Diffusion

1. Primärkriechen Kriechgeschwindigkeit nimmt stetig ab

2. Sekundar Bereich Kriechgeschwindigkeit minimal und konst.

3 Tertiärer Bereich Kriechgeschwindigkeit steigt stark an, kriechduktile Werkstoffe schnüren ein→Bruch

Vorgänge beim kriechen

a) regellose Verteilung zu Beginn des Primärbereiches

b) beginnende Bildung von Kleinwinkelkorngrenzen im fortschreitenden Primärbereich

c) weiter Bildung von KwKg gegen Ende Primärbereich

d) abgeschlosene Subkornbildung im Sekundärbereich

Nortonsches Kriechgesetz

epsilon =A*sigma ^n  n...Spannungsexp.  A...Konstante

Versetzung als Träger plastischer Verformung

- geringe Spannung diffusionskriechen

- höhere Spannung Korngrenzenkriechen

starker Einfluss auf Kriechfestigkeit

Grund Einfluss E-Modul auf Spannungsfeldercvder Versetzungen (elast. Verzerrungsenthalpie)

mit steigendem Emodul nimmt versetzungsdichte ab

Gleitebenenabstände steigen- geringere Erholungsrate, geringere Kriechgeschw.

- abnahme Kriechgeschw. mit sinkender Stapelfehlerenergie bei sigma =konst.

Ursache Wechselwirkungen Versetzung und Stapelfehler

- Kriechbest. wird mit zunehmender Stapelfehlerenergie erhöht