Werkstoffe der Energietechnik
Werkstoffe
Werkstoffe
Kartei Details
| Karten | 60 |
|---|---|
| Sprache | Deutsch |
| Kategorie | Technik |
| Stufe | Universität |
| Erstellt / Aktualisiert | 12.02.2015 / 12.02.2015 |
| Weblink |
https://card2brain.ch/box/werkstoffe_der_energietechnik
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Entwicklung und Auswahl kriechfester Werkstoffe 2
- 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
Entwicklung und Auswahl kriechfester Werkstoffe 2
- 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
Entwicklung und Auswahl kriechfester Werkstoffe 3
- 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
-
Entwicklung und Auswahl kriechfester Werkstoffe 4
- 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
Entwicklung und Auswahl kriechfester Werkstoffe 5
- 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
Entwicklung und Auswahl kriechfester Werkstoffe
ZH Zeitbruchverformung/Zeitstandfestigkeit
...
warmfeste Stähle
- ferritische Stähle
- 600°C
- gute Zeitstandfestigkeit aufgrund karbidhärtung und MKhärtung
-
hochwarmfeste Stähle
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
hitzebeständige Stähle
ferritisch
- hoch Korr.best. Cr. Gehalt ca 20%
- für höchste Termische Belastung mit 4-6% Al -> Kanthal
austenitisch
- hoher Ni- Gehalt
Hochtemperaturwerkstoffe auf Ni Basis
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
Warum H2 als energiespeicher?
- 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
Probleme H2
- Brennbarkeit
- volumetrische Speicherdichte
physikalische Lsg.: Druckspeicher (Flüssiggas), speichern großer Volumina (Gasnetz), Kryo-Speicher
chem. Lsg. Metallhydridspeicher, Methanisierung (Power to gas)
Wasserstoffherstellung
- 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
Schädigungsmechanismen bei Werkstoffen der Kerntechnik/ Kernfusion
- 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
Werkstoffbeispiele für Kerntechnik
- 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)
Was ist Thermoelektrik? Welche Effekte gibt es?
- wechselseitige Umwandlung von Wärme und elek. Strom
- Seebeck- Effekt: Temperaturänderung erzeugt Spannung (Energiegewinnung)
- Peltier- Effekt: anlegen äußerer Spannung erzeugt Wärmegradient (Wärmetransport)
Vorteile Thermoelektrika
- 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
thermoelektrische Gütezahl
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
Anforderungen an elektrische Kontaktwerkstoffe
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
Anforderung für Werkstoffe im therm. Managment z.B Kühlung
- 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
