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Mechanische Eigenschaften von Werkstoffen bei hohen Temperaturen: Schlüsselwissen für die Maschinenbauindustrie

In industriellen Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Energie- und der Chemieingenieurwesen arbeiten zahlreiche mechanische Komponenten über lange Zeiträume unter Hochtemperaturbedingungen — darunter Motoren, Kessel und Ölraffinerieanlagen. Diese Komponenten stellen strenge Anforderungen an die Hochtemperatur-Mechanikeigenschaften von Materialien. Die genaue Bewertung von Materialien, ihre rationale Verwendung und die Entwicklung neuer hochtemperaturbeständiger Materialien sind zu entscheidenden Aufgaben für den Fortschritt dieser Industrien und der Materialforschung geworden. Dieser Artikel erläutert wesentliches Wissen über die Hochtemperatur-Mechanikeigenschaften von Materialien und liefert wertvolle Einblicke für den Maschinenbausektor.

1. Definition von "Hoher Temperatur" für metallische Werkstoffe

Die Klassifizierung von "hoch" oder "niedrig" Temperatur ist relativ zum Schmelzpunkt des Metalls. Ein gängiges Kriterium ist die "homologe Temperatur" T/Tm (wobei Tm den Schmelzpunkt des Materials bezeichnet). Wenn T/Tm > 0,4-0,5 ist, wird die Temperatur für dieses spezifische Material als hoch angesehen.

Praktische Anwendungsbeispiele:

Die Betriebstemperatur von Zivilluftfahrtmotoren nähert sich 1500°C, während die von Militärflugzeugtriebwerken etwa 2000°C erreicht.
Lokalisierte Betriebstemperaturen von Luft- und Raumfahrzeugen können auf 2500°C ansteigen.
Für Hochtemperatur- und Hochdruckleitungen in chemischen Anlagen kann selbst dann, wenn die angelegte Spannung geringer ist als die Streckgrenze des Materials bei der Betriebstemperatur, eine kontinuierliche plastische Verformung bei langfristiger Nutzung auftreten, was zu einer allmählichen Ausdehnung des Rohrdurchmessers und einem potenziellen Bruch führt.

2. Auswirkungen von Temperatur und Zeit auf die Materialeigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften von Materialien werden sowohl durch die Temperatur als auch durch die Belastungsdauer unter Hochtemperaturbedingungen erheblich beeinflusst, was sich deutlich von den mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur unterscheidet.

2.1 Temperatureffekt

Im Allgemeinen nimmt die Festigkeit metallischer Werkstoffe mit steigender Temperatur ab, während ihre Plastizität zunimmt.

2.2 Belastungsdauereffekt

Wenn σ < σs (Streckgrenze), kann es während des Langzeitbetriebs zu Kriechen kommen, was möglicherweise zu einem Bruch führt.
Bei längerer Belastungsdauer nimmt die Zugfestigkeit von Stahl bei hohen Temperaturen ab.
Unter kurzzeitiger Hochtemperaturbeanspruchung nimmt die Plastizität des Materials zu; unter Langzeitbelastung nimmt die Plastizität metallischer Werkstoffe jedoch deutlich ab, die Kerbempfindlichkeit nimmt zu und es kommt häufig zu Sprödbruch.
Die kombinierte Wirkung von Temperatur und Zeit beeinflusst auch den Bruchpfad von Materialien.

2.3 Gleichfestigkeitstemperatur (TE)

Mit steigender Temperatur nehmen sowohl die Kornfestigkeit als auch die Korngrenzenfestigkeit ab. Aufgrund der unregelmäßigen Atomanordnung an Korngrenzen erfolgt die Diffusion leichter entlang dieser Grenzen, wodurch die Korngrenzenfestigkeit schneller abnimmt. Die Temperatur, bei der die Festigkeit der Körner der der Korngrenzen entspricht, wird als Gleichfestigkeitstemperatur (TE) definiert.

Wenn Materialien oberhalb von TE betrieben werden, geht die Bruchart vom üblichen transkristallinen Bruch in den interkristallinen Bruch über.
TE ist kein fester Wert, sondern wird stark von der Dehnungsrate beeinflusst. Da die Korngrenzenfestigkeit viel empfindlicher auf die Dehnungsrate reagiert als die Kornfestigkeit, steigt TE mit zunehmender Dehnungsrate.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Materialien bei hohen Temperaturen sowohl Temperatur als auch Zeit als kritische Faktoren berücksichtigen muss.

3. Kriechphänomen in metallischen Werkstoffen

3.1 Definition von Kriechen

Kriechen bezeichnet das Phänomen, bei dem Metalle unter langfristigen konstanten Temperatur- und Konstantlastbedingungen eine langsame plastische Verformung erfahren — selbst wenn die Spannung geringer ist als die Streckgrenze bei dieser Temperatur. Ein durch Kriechverformung verursachter Bruch wird als Kriechbruch bezeichnet. Während Kriechen bei niedrigen Temperaturen auftreten kann, wird es besonders bemerkbar, wenn die homologe Temperatur 0,3 übersteigt. Zum Beispiel:

Kriecheffekte müssen für Kohlenstoffstahl über 300°C und legierten Stahl über 400°C berücksichtigt werden.

3.2 Kriechprozess von Metallen

Die Kriechkurve von Metallen besteht typischerweise aus drei Phasen (unter konstanter Spannung und Temperatur):

Primäre Kriechphase (transiente Kriechphase): Gekennzeichnet durch eine hohe Anfangskriechrate, die im Laufe der Zeit allmählich abnimmt und am Ende dieser Phase ein Minimum erreicht.
Sekundäre Kriechphase (stationäre Kriechphase): Die Kriechrate bleibt während dieser Phase nahezu konstant. Die Kriechrate von Metallen wird im Allgemeinen als stationäre Kriechrate ε aus dieser Phase definiert.
Tertiäre Kriechphase (beschleunigte Kriechphase): Die Kriechrate nimmt mit der Zeit progressiv zu, was letztendlich zu einem Kriechbruch führt.