Kriechen in Metallurgie und Legierungen

Kriechen verstehen

In der Metallurgie ist das Kriechen ein grundlegender Verformungsprozess und wird als zeitabhängige, irreversible Dehnung definiert, die sich in einem Werkstoff unter einer konstanten Belastung entwickelt, die in der Regel über dem 0,3- bis 0,5-fachen seines Schmelzpunkts (Tm) liegt. Im Gegensatz zur sofortigen plastischen Verformung erfolgt das Kriechen über einen relativ langsamen Zeitraum und ist daher einer der wichtigsten Abbauprozesse in Metallteilen und -legierungen, die für hohe Temperaturen in Dampfkraftwerken, Luft- und Raumfahrtmotoren und Automobilkomponenten verwendet werden.

DieKriechverformung erfolgt normalerweise in drei Stufen:

1. Primäres Kriechen - die Kriechrate nimmt mit zunehmender Zeit aufgrund der Verfestigung ab.

2. Sekundäres (stationäres) Kriechen - konstante Kriechrate; für die Konstruktion am wichtigsten.

3. tertiäres Kriechen - beschleunigte Schädigung bis zum Bruch.

Das Verständnis dieser Stadien ist von größter Bedeutung für die Vorhersage der Lebensdauer von Werkstoffen und die Vermeidung von katastrophalen Ausfällen bei Hochtemperaturbauteilen.

Faktoren, die das Kriechen in Legierungen beeinflussen

Temperatur

Der dominierende Faktor ist die Temperatur. Ein Temperaturanstieg erhöht die Beweglichkeit der Atome, und eine erhöhte Diffusionsrate erhöht die Kriechdehnung. Wenn beispielsweise die Temperatur von 600°C auf 700°C steigt, verzehnfacht sich die Kriechrate bei austenitischen nichtrostenden Stählen.

Spannung

Die Kriechrate steigt häufig als Potenzgesetzfunktion der angelegten Spannung an, ε̇ = Aσⁿ, wobei n für jede Legierung unterschiedlich ist. Bei Hochtemperatursuperlegierungen kann n beispielsweise 4-7 betragen, während reine Metalle normalerweise n ≈ 1-3 aufweisen.

Materialzusammensetzung

Elemente wie Mo, W, Ti, Al, Cr und Nb verstärken die Legierungsphasen oder bilden stabile Ausscheidungen, die die Kriechfestigkeit verbessern.

Mikrogefüge

Feinere, stabilere Ausscheidungen, größere Körner und die chemische Kontrolle des Korngrenzenbereichs wirken sich alle auf die Kriechverformung aus. Der vorherrschende Mechanismus des Kriechens in feinkörnigen Materialien ist das Korngrenzengleiten, während in grobkörnigen Materialien das Versetzungskriechen dominiert.

Anwendungen und Auswirkungen der Kriechbeständigkeit

Luft- und Raumfahrttechnik

Die Schaufeln von Turbomaschinen in Düsentriebwerken arbeiten bei 1000-1100 °C, was etwa dem Schmelzpunkt von Superlegierungen auf Nickelbasis entspricht. Durch die Verwendung kriechfester Werkstoffe wird die Maßstabilität aufrechterhalten und ein katastrophales Triebwerksversagen vermieden.

Stromerzeugung

Überhitzer- und Zwischenüberhitzerrohre in Kohle- und Kernkraftwerken arbeiten ebenfalls kontinuierlich im Temperaturbereich von 550-650°C und erfordern Stähle, die eine sehr hohe Kriechbruchbeständigkeit aufweisen.

Automobilsysteme

Die Anforderungen an Legierungen für Auslassventile, Turboladerrotoren und Hochleistungsmotorteile erfordern eine Festigkeit bis zu 700-900°C.

Methoden zur Verbesserung der Kriechbeständigkeit - spezifisch

1. Legieren

Legierungszusätze verändern die Phasenstabilität und behindern die Versetzungsbewegung.

Fallbeispiel: Ni-Basis-Superlegierung IN738

Enthält 8,5% Co, 16% Cr, 3,4% Al, 3,4% Ti, 1,7% Mo, 2,6% W

- Zeitstandfestigkeit bei 870°C, 150 MPa:

> 1000 Stunden

Diese hervorragende Leistung ist auf den hohen Anteil (~70%) der Ausscheidungen γ′ (Ni₃Al/Ti) zurückzuführen, die dem Versetzungskriechen widerstehen.

2. Wärmebehandlung

Die Wärmebehandlung kann die Größe und Verteilung der Ausscheidungen steuern.

Fallbeispiel: Ti-6Al-4V-Legierung

- Lösungsbehandlung + Alterung verringert die Kriechrate bei 500°C um 30-40%.

- Begründung: Verfeinerung der α + β lamellaren Strukturen, um das Gleiten der Korngrenzen zu verhindern.

3. Korngrenzentechnik

Eine Vergrößerung der Korngröße reduziert das Korngrenzengleiten, das einer der Hauptmechanismen des Kriechens bei hohen Temperaturen ist.

Fallbeispiel: Austenitischer rostfreier Stahl 316H

- Die großkörnige Variante weist im Vergleich zur feinkörnigen Form bei 600°C, 100MPa eine 2-3fach längere Kriechlebensdauer auf

- Die Korngröße wurde von ASTM 8 auf ASTM 4 erhöht.

4. Oberflächenbehandlungen

Beschichtungen schützen das Material vor Oxidation und Verschlechterung durch Umwelteinflüsse.

Fallbeispiel: MCrAlY-Beschichtungen (M = Ni, Co) auf Turbinenschaufeln

- Verbessern die Oxidationsbeständigkeit bei Temperaturen über 1100°C

- Erhöhung der Kriechlebensdauer der darunter liegenden Legierung um 10-15%, da der Oberflächenabbau verzögert wird.

Kriechverhalten einiger gängiger Legierungen

Häufig gestellte Fragen

Was ist Kriechen in der Metallurgie?

Kriechen ist definiert als die langsame und dauerhafte Verformung eines beliebigen Werkstoffs unter Belastung, insbesondere bei hohen Temperaturen, über einen langen Zeitraum.

Warum ist Kriechbeständigkeit bei Legierungen wichtig?

Die Kriechfestigkeit sorgt dafür, dass das Bauteil unter ständiger thermischer und mechanischer Beanspruchung seine mechanische Integrität behält.

Welche Branchen profitieren am meisten von kriechfesten Werkstoffen?

Dazu gehören die Luft- und Raumfahrt, die Energieindustrie (Kernkraft/Wärme), die Automobilindustrie, die Metallurgie und die chemische Verarbeitung.

Wie kann die Kriechbeständigkeit einer Legierung verbessert werden?

Durch Legierung, Wärmebehandlung, Kontrolle der Korngrenzen und schützende Oberflächenbeschichtungen.

Gibt es Legierungen, die speziell für eine hohe Kriechbeständigkeit entwickelt wurden? Ja, einkristalline Superlegierungen auf Nickelbasis wie CMSX-4, René N5 und Titanlegierungen wie Ti-6242 sind für die Kriechbeständigkeit unter extremen Umweltbedingungen optimiert.