Stellen Sie sich vor, Ihr Automotor würde mitten in der sengenden Wüste ausfallen, weil die Werkstoffe der Hitze nicht standhalten würden. Dieses Szenario unterstreicht, wie wichtig es ist, zu verstehen, wie sich hohe Temperaturen auf die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen auswirken. In diesem Artikel gehen wir der Frage nach, wie sich eine längere Einwirkung hoher Temperaturen auf Metallstrukturen auswirkt, was zu Phänomenen wie Diffusion und Rekristallisation führt, und was Ingenieure tun können, um diese Auswirkungen zu mildern. Tauchen Sie ein und erfahren Sie, wie Temperatur und Zeit die Leistung von Werkstoffen beeinflussen und die Sicherheit und Zuverlässigkeit in Hochtemperaturumgebungen gewährleisten.
Die Strukturen von Metallen und Legierungen verändern sich bei hohen Temperaturen durch Phänomene wie Diffusion, Erholung, Rekristallisation und andere.
Außerdem kann eine längere Exposition gegenüber hohen Temperaturen die Leistung von metallische Werkstoffe.
In Anlagen wie Hochdruckdampfkesseln, Dampfturbinen, Dieselmotoren, Flugzeugtriebwerken, chemischen Anlagen und Hochtemperatur- und Hochdruckrohrleitungen sind viele Teile über längere Zeit unter hohen Temperaturen im Einsatz.
Es reicht nicht aus, nur die mechanischen Eigenschaften solcher Werkstoffe bei normaler Temperatur und kurzzeitiger statischer Belastung zu betrachten. So sind zum Beispiel Hochtemperatur- und Hochdruckrohre in chemischen Anlagen, obwohl die Belastung, die sie aushalten, geringer ist als die Streckgrenze von Werkstoffen bei ihrer Betriebstemperatur im Laufe der Zeit eine kontinuierliche plastische Verformung erfahren, die den Rohrdurchmesser allmählich vergrößert und sogar zu einem Rohrbruch führen kann.
Die Einteilung in "hohe" oder "niedrige" Temperatur bezieht sich auf den Schmelzpunkt des Metalls. Das Verhältnis von Temperatur zu Schmelzpunkt (T/Tm) wird häufig als Referenz verwendet, wobei sich Tm auf den Schmelzpunkt des Materials bezieht. Ist T/Tm größer als 0,4 bis 0,5, wird es als Hochtemperatur angesehen.
Die Temperatur eines Zivilflugzeugs liegt bei etwa 1500°C, die eines Militärflugzeugs bei etwa 2000°C. Die lokale Arbeitstemperatur von Raumfahrzeugen kann sogar 2500°C erreichen.
Die Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen. Auch die Dauer der Belastung bei hohen Temperaturen hat einen großen Einfluss auf diese Eigenschaften. Es ist wichtig zu beachten, dass die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen nicht die gleichen sind wie die mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur.
Generell gilt, dass mit steigender Temperatur die Festigkeit metallischer Werkstoffe abnimmt, während ihre Plastizität zunimmt. Auch die Dauer der Belastung wirkt sich auf die mechanischen Eigenschaften aus. Bei kurzzeitiger Belastung nimmt die Zugfestigkeit ab und die Plastizität zu, aber bei langfristiger Belastung nimmt die Plastizität deutlich ab, die Kerbempfindlichkeit nimmt zu, und es kommt häufig zu Sprödbrüchen.
Die kombinierte Wirkung von Temperatur und Zeit beeinflusst auch den Bruchweg des Materials. So kann es beispielsweise bei langfristiger Nutzung zu Kriechvorgängen kommen, die schließlich zum Bruch führen. Die Zugfestigkeit von Stahl bei hohen Temperaturen nimmt mit zunehmender Dauer der Belastung ab.
Mit steigender Temperatur nehmen sowohl die Kornfestigkeit als auch die Korngrenzenfestigkeit ab. Die Korngrenzenfestigkeit nimmt jedoch aufgrund der unregelmäßigen Anordnung der Atome an der Korngrenze schneller ab, was das Auftreten von Diffusion erleichtert.
Die Temperatur, bei der Kornfestigkeit und Korngrenzenfestigkeit gleich sind, wird als "Gleichfestigkeitstemperatur" (TE) bezeichnet. Wenn das Material oberhalb der TE arbeitet, ändert sich der Bruchmodus des Materials vom typischen transgranularen Bruch zum intergranularen Bruch.
Es ist wichtig zu beachten, dass die TE nicht fest ist und von der Verformungsgeschwindigkeit beeinflusst wird. Da die Korngrenzenfestigkeit empfindlicher auf die Verformungsgeschwindigkeit reagiert als die Kornfestigkeit, steigt TE mit zunehmender Verformungsgeschwindigkeit.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Materialien bei hohen Temperaturen sowohl die Temperatur als auch die Zeit als Faktoren berücksichtigt werden müssen.
Kriechen ist die allmähliche plastische Verformung von Metall, die bei konstanter Temperatur und Belastung über einen längeren Zeitraum auftritt, auch wenn die Spannung niedriger ist als die Streckgrenze bei dieser Temperatur. Diese Art des durch Kriechverformung verursachten Materialbruchs wird als Kriechbruch bezeichnet.
Obwohl Kriechen auch bei niedrigen Temperaturen auftreten kann, ist es nur dann von Bedeutung, wenn die Temperatur höher als etwa 0,3 ist. Wenn die Temperatur von Kohlenstoffstahl 300°C übersteigt oder die von legierter Stahl 400°C übersteigt, muss die Auswirkung des Kriechens in Betracht gezogen werden.
Es ist wichtig zu wissen, dass die Kriechkurve desselben Materials je nach Spannung und Temperatur variiert.
Typische Kriechkurve
Die erste Stufe, die mit "ab" bezeichnet ist, wird als Verzögerungs-Kriechstufe oder Übergangs-Kriechstufe bezeichnet. Die Kriechrate ist zu Beginn dieser Phase sehr hoch und nimmt mit der Zeit allmählich ab, bis sie am Punkt "b" ihr Minimum erreicht.
Die zweite Stufe, die mit "bc" gekennzeichnet ist, wird als Kriechstufe mit konstanter Geschwindigkeit oder als stationäre Kriechstufe bezeichnet. Dieses Stadium ist durch eine relativ konstante Kriechgeschwindigkeit gekennzeichnet. Die Kriechgeschwindigkeit eines Metalls wird normalerweise durch die Kriechrate ε während dieser Phase ausgedrückt.
Die dritte Phase ist die Phase des beschleunigten Kriechens. Mit fortschreitender Zeit nimmt die Kriechrate allmählich zu, bis am Punkt "d" ein Kriechbruch auftritt.
Änderungsdiagramm der Kriechkurve bei verschiedenen Spannungen und Temperaturen
Wie in der Abbildung dargestellt, dauert die zweite Phase des Kriechens bei niedrigen Spannungen oder niedrigen Temperaturen sehr lange, und in einigen Fällen tritt die dritte Phase möglicherweise gar nicht auf. Bei hohen Spannungen oder hohen Temperaturen hingegen ist die zweite Kriechphase sehr kurz oder findet möglicherweise gar nicht statt, was dazu führt, dass die Probe in sehr kurzer Zeit zusammenbricht.
Makroeigenschaften der Bruchfläche
Die plastische Verformung erfolgt in der Nähe der Bruchfläche, und in der Nähe des verformten Bereichs entstehen zahlreiche Risse (diese Risse sind auf der Oberfläche des gebrochenen Teils zu sehen). In Fällen von Hochtemperaturoxidation ist die Bruchfläche mit einer Oxidschicht überzogen.
Mikroeigenschaften der Bruchfläche
Intergranulare Bruchmorphologie von kristallinen zuckerähnlichen Mustern
Die Kriechgrenze, die Bruchfestigkeit, die Relaxationsstabilität und andere mechanische Eigenschaften werden üblicherweise zur Bewertung des Kriechverhaltens von Materialien verwendet.
Die Kriechgrenze ist ein Maß für die Widerstandsfähigkeit eines metallischen Werkstoffs gegen plastische Verformung unter Langzeitbelastung bei hohen Temperaturen und ist ein entscheidender Faktor für die Auswahl und Konstruktion von Bauteilen für den Hochtemperaturbereich.
Es gibt zwei Möglichkeiten, die Kriechgrenze in MPa auszudrücken: Die eine besteht darin, die maximale Spannung zu bestimmen, die die Probe bei einer bestimmten konstanten Kriechrate innerhalb einer bestimmten Zeit und Temperatur aushalten kann; die andere besteht darin, die maximale Spannung zu bestimmen, bei der die Probe eine bestimmte Kriechdehnung innerhalb einer bestimmten Zeit und Temperatur erfährt.
Beispiel 1 zeigt, dass die Kriechgrenze des Materials 80 MPa beträgt, wenn die Temperatur 500 ℃ beträgt und die stetige Kriechrate 1×10-5%/h;
Beispiel 2 zeigt, dass die Kriechgrenze des Materials 100 MPa beträgt, wenn die Temperatur 500 ℃, 100000 Stunden und die Kriechdehnung 1% beträgt.
Kriechprüfgerät und schematische Darstellung
Der Kriechversuch muss unter gleichbleibenden Temperaturbedingungen und verschiedenen Spannungsniveaus durchgeführt werden, wobei mindestens 4 Kriechkurven aufzuzeichnen sind.
Die Kriechkurven sollten auf der Grundlage der aufgezeichneten Ergebnisse erstellt werden, wobei die Steigung der Geraden auf der Kurve die Kriechrate darstellt.
Die Beziehungskurve wird auf logarithmischen Koordinaten unter Verwendung der erhaltenen Spannungs-Kriechraten-Daten aufgetragen.
Durch die Anwendung relativ hoher Spannungen können mehrere Kriechkurven mit relativ kurzen Prüfzeiten erstellt werden. Der Spannungswert für eine bestimmte Kriechrate kann durch Interpolation oder Extrapolation der gemessenen Kriechrate ermittelt werden, was die Bestimmung der Kriechgrenze ermöglicht.
Bei konstanter Temperatur besteht eine lineare empirische Beziehung zwischen der Kriechspannung der zweiten Stufe (σ) und der stetigen Kriechrate (ε) in doppelt logarithmischen Koordinaten.
S-590-Legierung σ- ε-Kurve
(20,0%Cr, 19,4 %Ni, 19,3%Co, 4,0%W, 4,0%Nb, 3,8%Mo, 1,35%Mn, 0,43%C)
Die Dauerfestigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, über einen langen Zeitraum hinweg unter hohen Temperaturbelastungen nicht zu brechen. Sie ist die maximale Spannung, die ein Material unter bestimmten Temperatur- und Zeitbedingungen aushalten kann, ohne dass es zu Kriechbrüchen kommt. Die Dauerfestigkeit ist ein Maß für die Bruchfestigkeit eines Werkstoffs, während sich die Kriechgrenze auf die Verformungsfestigkeit bezieht.
Bei einigen Werkstoffen und Bauteilen ist die Kriechverformung minimal, und ihre einzige Anforderung besteht darin, während ihrer Lebensdauer nicht zu brechen (z. B. das Heißdampfrohr in einem Kessel). In diesen Fällen ist die Dauerfestigkeit das primäre Kriterium für die Bewertung der Eignung des Werkstoffs oder Bauteils für den Einsatz.
Zeitstandfestigkeitskurve der Legierung S-590
Die Dauerfestigkeit von metallischen Werkstoffen wird im Hochtemperatur-Zugversuch ermittelt.
Während des Prüfverfahrens ist es nicht notwendig, die Dehnung der Probe zu messen, solange die Zeit bis zum Bruch bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Spannungsniveau aufgezeichnet wird.
Bei Maschinenkomponenten mit langer Lebensdauer (Zehntausende bis Hunderttausende von Stunden oder mehr) ist es schwierig, Langzeittests durchzuführen, so dass die Daten in der Regel mit hohen Belastungen und kurzen Bruchzeiten erzeugt werden. Die Dauerfestigkeit der Materialien wird dann durch Extrapolation berechnet.
Empirische Formel extrapolieren:
(t-Bruchzeit, σ-Belastung, A, B-Konstanten in Bezug auf die Prüftemperatur und das Material)
Nehmen Sie den Logarithmus der obigen Formel und Sie erhalten:
Stellt man die Abb. log t-log σ auf, so kann die lineare Beziehung von den Daten mit kurzer Bruchzeit auf die Dauerfestigkeit mit langer Zeit extrapoliert werden.
Bei konstanter Verformung nimmt die elastische Spannung von Materialien im Laufe der Zeit allmählich ab, was als Spannungsrelaxation bezeichnet wird.
Die Widerstandsfähigkeit metallischer Werkstoffe gegenüber Spannungsrelaxation wird als Relaxationsstabilität bezeichnet, die durch Spannungsrelaxationstests durch Messung der Spannungsrelaxationskurve bestimmt werden kann.
Eigenspannung ist eine Kennzahl zur Bewertung der Relaxationsstabilität von Metallwerkstoffen. Je höher der Eigenspannungdesto besser ist die Entspannungstemperatur.
Spannungsrelaxationskurve
Stufe 1: Der Stress nimmt zu Beginn schnell ab;
Stufe 2: die Stufe, in der sich der Stressabbau allmählich verlangsamt;
Relaxationsgrenze: Unter einer bestimmten Anfangsspannung und Temperatur wird sich die Eigenspannung nicht weiter entspannen.
Um die Kriechgrenze zu erhöhen, ist es wichtig, die Geschwindigkeit des Versetzungsanstiegs auf der Grundlage der Kriechverformung und des Bruchmechanismus zu steuern.
Um die Bruchfestigkeit zu verbessern, müssen das Gleiten an den Korngrenzen und die Diffusion von Leerstellen kontrolliert werden.
Mehrere Faktoren können sich auf die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen auswirken, darunter die chemische Zusammensetzung, der Schmelzprozess, der Wärmebehandlungsprozess und die Korngröße.
Einfluss der chemischen Zusammensetzung der Legierung
Die Grundstoffe für hitzebeständige Stähle und Legierungen bestehen in der Regel aus Metallen und Legierungen mit hohem Schmelzpunkt, hoher Selbstdiffusionsaktivierungsenergie oder niedriger Stapelfehlerenergie.
Metalle mit höheren Schmelzpunkten, wie Chrom (Cr), Wolfram (W), Molybdän (Mo) und Niob (Nb), haben langsamere Selbstdiffusionsraten.
Eine niedrige Stapelfehlerenergie macht es leichter, ausgedehnte Versetzungen zu bilden, und erschwert es den Versetzungen, quer zu gleiten und zu klettern.
Die dispergierte Phase kann den Versetzungsschlupf und das Aufsteigen wirksam blockieren.
Der Zusatz von Elementen wie Bor und Seltenen Erden, die die Aktivierungsenergie der Korngrenzendiffusion erhöhen, behindert nicht nur das Gleiten der Korngrenzen, sondern erhöht auch die Oberflächenenergie der Korngrenzenrisse.
Hitzebeständige Werkstoffe mit flächenzentrierten kubischen Strukturen weisen eine höhere Warmfestigkeit auf als solche mit kubisch-körperzentrierten Strukturen.
Einfluss des Schmelzverfahrens
Überarbeitet:
Es ist wichtig, den Gehalt an Einschlüssen und metallurgischen Fehlern zu reduzieren.
Durch die gerichtete Erstarrung wird die Anzahl der Querkorngrenzen reduziert, was zu einer Verbesserung der Bruchfestigkeit führt, da sich Risse eher an Querkorngrenzen bilden.
Einfluss des Wärmebehandlungsverfahrens
Perlitischer hitzebeständiger Stahl unterliegt in der Regel einer Normalisierungsprozess gefolgt von einer Hochtemperatur-Temperierung.
Die Anlasstemperatur sollte 100 bis 150 Grad Celsius höher sein als die Betriebstemperatur, um die strukturelle Stabilität unter Betriebsbedingungen zu verbessern.
Austenitische hitzebeständige Stähle oder Legierungen werden in der Regel durch Lösung und Alterung behandelt, um eine geeignete Korngröße zu erreichen und die Verteilung der Verfestigungsphasen zu verbessern.
Thermomechanisch Behandlung kann die Festigkeit der Legierung weiter erhöhen, indem die Form der Korngrenzen verändert wird (Bildung von Zacken) und polygonale Unterkorngrenzen innerhalb des Korns entstehen.
Einfluss der Korngröße
Größe der Körner: Liegt die Betriebstemperatur unterhalb der konstanten Festigkeitstemperatur, weist Feinkornstahl eine höhere Festigkeit auf, während Grobkornstahl bei einer Betriebstemperatur oberhalb der konstanten Festigkeitstemperatur eine höhere Kriechfestigkeit und Dauerfestigkeit aufweist.
Ungleichmäßige Korngröße: Wenn sich die Spannung am Übergang zwischen großen und kleinen Körnern konzentriert, ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass sich Risse bilden und zu einem vorzeitigen Bruch führen.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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