Werkstoffe der Energietechnik

- 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

- grundsätzlich: bei allen Temp. unüberwindbare Hindernisse für Versetzungen

- bei tiefen Temp. Hall-Petch Bez., bei hohen temp. beim Kriechen bilden sich Subkörner, subkorngrenzenlaufweg begrenzt, →Versetzung läuft nicht bis Großwinkelkg

- Korngrenzeneinflüsse stark bemerkbar im Bereich Diffusionskriechen sowie beim Korngrenzengleiten

- Körner gleiten entlang ihrer Grenzen bei hohen Temp. ab

- für Abgleitung maßgeblich ist die entlang KG wirkende Schubspannung

- Kgviskosität beeinflusst durch KGRauigkeit (Stufen, -wellen) Ausscheidungen

- mit höherer Spannung epsilon kg vernachlässigbar

Zeitstanddiagramm tech. bessere Aussage

typische Belastung 10^5 h,

a) kriechkurven

b)Zeitstanddiagramm

c) Zeitliniendiagramm

d)isochrone Zeitstandlinie e)...Zeitdehnlinie

Gesamtkriechvorgang = Kriechen durch Versetzungsbewegung + unabhängiger Diffusionsbeitrag

Gefüge unter Spannung: Leerstellenwanderung dominierend (Diffk.), Spannungsabhängige Leerstellenkonzentration

Vorgänge: coble Korngrenze, Volumen: Nabarro-Herring

Versetzungen nicht relevant sondern Leerstellen und Stofftransport

- lineare Abhängigkeit der Kriechgeschwindigkeit von der Spannung n =1 , newtonsches Fließen

- Abnahme der Kriechgeschwindigkeit mit gröber werdendem Korn

- Kornvervormung durch reine Diffusion aus Kompatibilitätsründen nich mgl

- je geringer die Kriechgeschwindigkeit desto eher Diffusionskriechen

- Mk- Härtung sigma a = alpha*G*b*wurzel roh + sigma MK

- Festigkeitserhöhung: Einlagerung beeinflusst Diffk.

durch direkte wechselwirkung mit Versetzungen

indirekt durchveränderung bestimmter Werkstoffparameter, welche sich auf Kriechen ausüben (z.B. Emodul, Stapelfehlerenergie)

direkte WW mit Versetzungen:

- paraelast. und dielast. WW zw Vers. und FA als Einzelhindernisse

- ruhende Versetzung durch FAWolke verankert

- gleitende Versetzung reißt sich von FAW los

- gleitende Versetzung schleppt FAW mit

- FAW wandert schneller als Versetzung (bei sehr hohen Temp)

- Versetzungsauflösung durch klettern

sigma a= alpha*g*b*wurzel roh+ sigma T

- Abnahme statischer Kriechgeschwindigkeit bei sigma = konst.

- mgl. Mechanismen zur überwindung der Teilchen:

- Schneiden nicht bei inkohärenten Phasengrenzen), Umgehen (bei sehr hohen Temp., Orowan)

- überklettern bei T>0,4Tm auch bei geringem Sigma, aber zeit notwendig

...

- etreme Steigerung der Kriechbeständigkeit

- Partikelgröße in Lsg. < 100nm

- zusätzlicher spannungbetrag durch Ablösen der Versetzung , zusätzliche Verfestigung

- Fließkurve Teilchengehärteter Legierungen: in vielen Fällen kein stationärer Kriechbereich

- mit zunehmender Spannung Versetzungsklettern relevant damit Bruchrelevant

bei polykrist. Materialien

- Kaltverformung < 0,4Ts

überwiegend transkristalline Schädigung und Bruch

deutlische Schädigung meist erst kurz vor Bruch (Einschnüren)

Bruch nur bei überschreitung der Mindeststreckgrenze

Risswachstum nur bei weitere Spannungssteigerung

Bruchdehnung bei einigen %

-kriechen im techn. relevanten Bereich

überwiegend interkrist. Schädigung und Bruch

Bruch auch bei niedrigen spannungen

mirkroskop. erkennbare Schädigung oft in frühen Kriechstadien

Wachstum von Poren und Rissen be sigma =const.

Bruchdehnung kann niedriger liegen als bei Kaltverformung

- erfordert meist Zeit und maßgebend für Kriechbruch

- Hohlräume bilden sich durch Ansammlung von Leerstellen

- Aufreißen von Bindungen zw. Gitterbausteinen

- Mechanismus: Keilrissbildung: verschiebung der Körner gegeneinander

- Korngrenzengleitung nimmt zu bei steigendem T , führt zur Abnahme der Duktilität

- zu niedriger Spannung hin nimmt KG- Gleitanteil zu, gleichzeitig wird Zeit länger in der aufgebaute Spannungskonz. relaxieren kann

- Korngrenzengleiten steigt mit sinkender Korngröße, grobe Korn erhöht Zeitstandfestigkeit

- freie Gleitlänge der Korngrenze steigt mit Korngröße, tendenziell steigt Wahrscheinlichkeit für Kriechrisseinleitung

Allgemein Auswirkung der Kg auf Festigkeit überwiegt gegenüber denen der Schädigung über die gesamte Standzeit => Lösung Ausscheidungen

- Rissbildungswahrscheinlichkeit an Teilchen/Matrix Gf gegenüber Matrix erhöht

- kohärente GF weniger anfällig wie inkohärente Gf auch für Aussscheidungen

- kohärente Ausscheidung mit minimaler Gitterpassung -> hoher Anteil der Ausscheidung auf Korngrenze

- optimal: hoher Ausscheidungsanteil in der Körnern und dichte Belegung der KG -> kriechfest und kriechduktil

- z.B. durch Aufkohlung  -> Erzeugung von Carbiden

- Risswachstum durch Diffusion

- Risswachstum durch Korngrenzengleiten und Versetzungskriechen

- Risswachstum auch bei geringen Spannungen => Diffusion

 Ursache für beschleunigte Kriechprozesse:

- Abnahme tragender Querschnitt

- Zunahme Werkstoffvolumen

- Einschnürung

- Beschleunigung Versetzungskriechen (verstärktes Klettern von Stufenversetzungen in Rissumgebung)

- ideal ohne Transversalkorngrenzen, interkristalline Kriechschädigung in Längsrichtung ausgeschlossen aber KG behindern -> Einkristall besser

- reale Kornstruktur mit gerinem Kornstreckungsverhältnis -> interkristalline Kriechschädigung dominiert

- reale Kornstruktur hohes Streckungverhältnis -> interkristalline Kriechschädigung wird durch sehr lange Längskornabschnitte unterdrückt

Schädigung und Bruch erfolgen überwiegend transkristallin

Ziel: hohes Kornstreckverhältnis: >15 nicht mehr Schädigungsrelevant -> Schädigung im Korn

Transversalkorngrenzen=> Querbelastung nicht beeignet -> starke Schädigung

- polykristalline Werkstoffe mit gerichteter Kornstruktur können "schwachstelle Korngrenze" nur teilweise Lösen

besser Einkristalle!

Vorteil:

- keine Korngrenzengleitverformung -> Gesamtkriechrate reduziert -> nur Transkristalline Schädigung

- bessere Quereigenschaften

- kein Diffkriechen, Versetzungskriechen n>4 , bei abnehmender Spannung können niedrige Kriechgeschw. realisiert werden

- keine Korngrenzenverfestigenden Maßnahmen notwendig

- bevorzugte Korngrenzen Korrosion entfällt

Monkman- Grant- Beziehung

tm = K/ epsilon^m    => lg tm=k1 - m*lg*epsilon s

- m und k  erfassen primären und tertiären Kriechbereich sowie Zeitbruchdehnung spannungsunabhängig

um Zeit bei Zeitstandversuchen zu verkürzen Erhöhung der Temperatur

z.B mit Larson- Miller- Methode

epsilon = B* e^(-Qc/(RT)

Verknüpfung mit Monkman- Grant Bez. ergibt:

lg tm = K1 - m*B1 + m*B2*1/T = k3 + P1/T

P... Larson-Millerkonst.

Messung bei hohen Temp. Extrapolation nur zu niedrigen Temp.

Andere Schreibweise : T* (C + lg tm)= P

P=konst für sigma=const

Monkman- Grant- Beziehung

tm = K/ epsilon^m    => lg tm=k1 - m*lg*epsilon s

- m und k  erfassen primären und tertiären Kriechbereich sowie Zeitbruchdehnung spannungsunabhängig

um Zeit bei Zeitstandversuchen zu verkürzen Erhöhung der Temperatur

z.B mit Larson- Miller- Methode

epsilon = B* e^(-Qc/(RT)

Verknüpfung mit Monkman- Grant Bez. ergibt:

lg tm = K1 - m*B1 + m*B2*1/T = k3 + P1/T

P... Larson-Millerkonst.

Messung bei hohen Temp. Extrapolation nur zu niedrigen Temp.

Andere Schreibweise : T* (C + lg tm)= P

P=konst für sigma=const

- hoher Schmelzpkt. : hohe Aktivierungsenergie der Diff. , mgl geringe homologe Temperatur bei Betriebstemp. 

- kfz- Werkstoff: geringer Diffk. gegenüber krz (Packungsdichte)

- hoher E-Modul: geringe Versetzungsdichte, dadurch geringe Versetzungsauslöschrate bei gleicher Spannung

- werkstoff mit niedriger Stapelfehlerenergie: Verzögerung nicht konservativer Versetzungsbewegung (klettern)

- Mk härtung : Reibungsspannung durch gebremste Versetzungsbewegung, Verrringerung des effektiven Diffk., Erhöhung EModul und Gmodul, erniedrigung stapelfehlerenergie