Bürgel / Maier / Niendorf Handbuch Hochtemperatur-Werkstofftechnik

Grundlagen, Werkstoffbeanspruchungen, Hochtemperaturlegierungen und -beschichtungen
4. Auflage 2011
ISBN: 978-3-8348-9907-1
Verlag: Vieweg & Teubner
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 598 Seiten, eBook

Dieses Handbuch führt einerseits systematisch in die metallkundlichen Vorgänge bei hohen Temperaturen oberhalb etwa 40 % der absoluten Schmelztemperatur ein. Zum anderen werden Hochtemperaturlegierungen, die über rund 500 °C eingesetzt werden können, und deren Beanspruchungen in Bauteilen vorgestellt. Das Buch dient als Nachschlagewerk für Theorie und Praxis im Studium und Beruf. In der vierten Auflage wurden aktuelle Entwicklungen auf den Gebieten der Hochtemperaturlegierungen und der Materialsimulation ergänzt, Normen und das Literaturverzeichnis aktualisiert.

Zielgruppe

Professional/practitioner

Autoren/Hrsg.

Bürgel, Ralf

Maier, Hans Jürgen

Niendorf, Thomas

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort zur 4. Auflage;5
2;Vorwort zur 1. Auflage;6
3;Inhaltsverzeichnis;7
4;Zeichen und Einheiten;13
5;Abkürzungen;17
6;1 Grundlagen;19
6.1;1.1 Einführung;19
6.2;1.2 Thermodynamische und kinetische Grundlagen;21
6.2.1;1.2.1 Temperatur und thermische Energie;21
6.2.2;1.2.2 Grundbegriffe der Thermodynamik und Kinetik von Reaktionen;23
6.2.3;1.2.3 Thermodynamische Triebkraft;23
6.2.4;1.2.4 Reaktionskinetik;27
6.3;1.3 Diffusion;29
6.3.1;1.3.1 Mechanismen und Gesetzmäßigkeiten;29
6.3.1.1;1.3.1.1 Interstitielle Diffusion;30
6.3.1.2;1.3.1.2 Reguläre Gitterdiffusion;33
6.3.2;1.3.2 Diffusion in Substitutionsmischkristallen;38
6.3.3;1.3.3 Diffusion entlang von Gitterfehlern;40
6.3.3.1;1.3.3.1 Diffusion entlang von Versetzungen;41
6.3.3.2;1.3.3.2 Diffusion entlang von Korngrenzen;42
6.3.4;1.3.4 Diffusion in geordneten Gittern;43
6.4;1.4 Grundlagen der Wärmeübertragung;44
6.4.1;1.4.1 Begriffe;44
6.4.2;1.4.2 Wärmedurchgang durch eine Wand;46
7;2 Gefügestabilität;56
7.1;2.1 Erholung;57
7.2;2.2 Rekristallisation;61
7.2.1;2.2.1 Allgemeines;61
7.2.2;2.2.2 Kinetik der Rekristallisation;62
7.2.3;2.2.3 Mechanismen und Gesetzmäßigkeiten der Rekristallisation;64
7.3;2.3 Kornvergröberung;75
7.4;2.4 Ausscheidungsvorgänge;82
7.4.1;2.4.1 Allgemeines;82
7.4.2;2.4.2 Energiebilanz bei Ausscheidungsv orgängen;85
7.5;2.5 Teilchenvergröberung/Ostwald-Reifung;93
7.6;2.6 Gefügebedingte Volumenänderungen;103
8;3 Hochtemperaturfestigkeit und -verformung;106
8.1;3.1 Allgemeines;106
8.2;3.2 Grundlagen der Hochtemperaturverformung;107
8.3;3.3 Kriechen;112
8.3.1;3.3.1 Kriechkurve;113
8.3.2;3.3.2 Darstellungsformen der Kriechund Zeitstanddaten;117
8.4;3.4 Versetzungskriechen;122
8.4.1;3.4.1 Mikrostrukturelle Interpretation;122
8.4.2;3.4.2 Gesetzmäßigkeiten des Versetzungskriechens;125
8.4.2.1;3.4.2.1 Spannungsabhängigkeit;125
8.4.2.2;3.4.2.2 Temperaturabhängigkeit;129
8.4.2.3;3.4.2.3 Abhängigkeiten von Werkstoffparametern;132
8.5;3.5 Korngrenzengleiten;136
8.6;3.6 Diffusionskriechen;139
8.7;3.7 Verformungsmechanismuskarten;144
8.8;3.8 Kriechen von Legierungen;148
8.8.1;3.8.1 Mischkristallhärtung;148
8.8.1.1;3.8.1.1 Direkte Wechselwirkungen Fremdatome/Versetzungen;149
8.8.1.2;3.8.1.2 Veränderung von Werkstoffparametern durch Fremdatome;152
8.8.2;3.8.2 Teilchenhärtung;154
8.8.2.1;3.8.2.1 Mechanismen und Gesetzmäßigkeiten;154
8.8.2.2;3.8.2.2 Besonderheiten dispersionsgehärteter Legierungen;163
8.8.2.3;3.8.2.3 Hoch .'-haltige Ni-Basislegierungen;166
8.8.2.4;3.8.2.4 Kriechkurvenverlauf teilchengehärteter Legierungen;167
8.8.3;3.8.3 Kriechen geordneter intermetallischer Phasen;168
8.9;3.9 Bruchmechanismuskarten;169
8.10;3.10 Kriechschädigung und Kriechbruch;172
8.10.1;3.10.1 Transkristalline Kriechschädigung;173
8.10.2;3.10.2 Interkristalline Kriechschädigung;173
8.10.2.1;3.10.2.1 Kriechrissinitiierung;176
8.10.2.2;3.10.2.2 Kriechrisswachstum;184
8.10.3;3.10.3 Tertiäres Kriechen;187
8.11;3.11 Einfluss der Kornform auf die Zeitstandeigenschaften;188
8.12;3.12 Kriechverhalten von Einkristallen;191
8.13;3.13 Extrapolation von Zeitstandergebnissen;192
8.14;3.14 Zeitstandfestigkeitsnachweis bei veränderlichen Beanspruchungen;197
8.15;3.15 Spannungsrelaxation;199
8.16;3.16 Kerbzeitstandverhalten;206
8.17;3.17 Entwicklung und Auswahl kriechfester Werkstoffe;213
9;4 Zyklische Festigkeit und Verformung;219
9.1;4.1 Begriffe und Einführung1;219
9.2;4.2 Ermüdung bei tiefen Temperaturen;227
9.3;4.3 Ermüdung bei hohen Temperaturen;231
9.4;4.4 Schädigung und Bruch unter zyklischen Belastungen;240
9.5;4.5 Lebensdauerabschätzung für zyklische Belastungskollektive;241
9.6;4.6 Lebensdauerabschätzung für kombinierte Kriechund Ermüdungsbeanspruchung;242
9.7;4.7 Thermische Ermüdung;249
9.7.1;4.7.1 Einführung und Definition;249
9.7.2;4.7.2 Wärmedehnungen und Wärmespannungen;252
9.7.3;4.7.3 Prüftechniken zur thermischen Ermüdung;263
9.7.4;4.7.4 Einflussgrößen auf die thermische Ermüdung;268
9.7.4.1;4.7.4.1 Wärmeausdehnungskoeffizient;268
9.7.4.2;4.7.4.2 Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit;268
9.7.4.3;4.7.4.3 Elastizitätsmodul;270
9.7.4.4;4.7.4.4 Korngröße;273
9.7.4.5;4.7.4.5 Mechanische Eigenschaften;273
9.7.4.6;4.7.4.6 Konstruktive und geometrische Einflüsse;274
9.7.4.7;4.7.4.7 Korrosionsbeständigkeit;275
9.7.4.8;4.7.4.8 Zusammenfassung der Einflussgrößen auf die thermische Ermüdung;275
10;5 Hochtemperaturkorrosion;278
10.1;5.1 Begriffe;278
10.2;5.2 Thermodynamik der Metall/Gas-Reaktionen;279
10.3;5.3 Oxidation;285
10.3.1;5.3.1 Einführung und Begriffe;285
10.3.2;5.3.2 Kinetik der Oxiddeckschichtbildung;285
10.3.3;5.3.3 Mechanismen des Deckschichtwachstums;291
10.3.4;5.3.4 Oxidation von Legierungen;296
10.3.5;5.3.5 Deckschichten auf Legierungen;298
10.3.6;5.3.6 Zyklisches Oxidationsverhalten;303
10.3.7;5.3.7 Haftung von Deckschichten und Aktivelementeffekte;306
10.3.8;5.3.8 Plastisches Verhalten von Oxiddeckschichten;309
10.3.9;5.3.9 Korngrenzenzerfall (Pest);310
10.3.10;5.3.10 Zundergrenze;310
10.4;5.4 Aufkohlung;312
10.4.1;5.4.1 Allgemeines;312
10.4.2;5.4.2 Besondere Erscheinungsformen der Aufkohlung;316
10.4.2.1;5.4.2.1 Metal Dusting;316
10.4.2.2;5.4.2.2 Grünfäule;318
10.5;5.5 Entkohlung;319
10.6;5.6 Aufstickung;320
10.7;5.7 Aufschwefelung;322
10.8;5.8 Heißgaskorrosion;325
10.8.1;5.8.1 Begriffe und Einführung;325
10.8.2;5.8.2 Korrosiv e Substanzen bei Verbrennungsprozessen;327
10.8.3;5.8.3 Prüfmethoden;330
10.8.4;5.8.4 Mechanismen der Heißgaskorrosion;332
10.8.4.1;5.8.4.1 Allgemeines;332
10.8.4.2;5.8.4.2 Niedertemperatur(Typ II-) Heißgaskorrosion;335
10.8.4.3;5.8.4.3 Hochtemperatur(Typ I-) Heißgaskorrosion;339
10.8.4.4;5.8.4.4 Einflüsse weiterer Elemente;345
10.8.5;5.8.5 Zusammenfassung und Aspekte der Werkstoffwahl;347
10.9;5.9 Erosion-Korrosion-Wechselwirkungen;351
10.10;5.10 Korrosionsbedingte Volumenänderungen;352
10.11;5.11 Wechselwirkungen zwischen Korrosion und mechanischen Eigenschaften;353
11;6 Hochtemperaturlegierungen;358
11.1;6.1 Definition und Anwendungsgebiete;358
11.2;6.2 Beanspruchungen und Werkstoffanforderungen;358
11.3;6.3 Auswahlkriterien für Basiselemente und Übersicht über Hochtemperatur-Werkstoffgruppen;361
11.4;6.4 Hochtemperaturlegierungen auf Fe-Basis;366
11.4.1;6.4.1 Übersicht;366
11.4.2;6.4.2 Hitzebeständige Stähle;370
11.4.3;6.4.3 Warmfeste Stähle;374
11.4.4;6.4.4 Hochw armfeste Stähle;375
11.5;6.5 Hochtemperaturlegierungen auf Co-Basis;381
11.5.1;6.5.1 Allgemeines und Vergleich;381
11.5.2;6.5.2 Legierungsaufbau, Gefüge und Eigenschaften;382
11.6;6.6 Hochtemperaturlegierungen auf Ni-Basis;387
11.6.1;6.6.1 Allgemeines und Vergleich;387
11.6.2;6.6.2 Mikroseigerungsverhalten bei der Erstarrung;393
11.6.3;6.6.3 Phasen in Ni-Basislegierungen;398
11.6.3.1;6.6.3.1 Der .-Mischkristall;398
11.6.3.2;6.6.3.2 Die .'-Phase;399
11.6.3.3;6.6.3.3 Karbide;410
11.6.3.4;6.6.3.4 TCP-Phasen und Phaseninstabilitäten;412
11.6.3.5;6.6.3.5 Weitere Phasen;417
11.6.4;6.6.4 Wärmebehandlung .'-gehärteter Ni-Basislegierungen;419
11.6.4.1;6.6.4.1 Allgemeines;419
11.6.4.2;6.6.4.2 Ausgangswärmebehandlung;420
11.6.4.3;6.6.4.3 Heiß-isostatisches Pressen (HIP);434
11.6.4.4;6.6.4.4 Regenerierende Wärmebehandlung;436
11.6.5;6.6.5 Korrosionseigenschaften;436
11.7;6.7 Gerichtet erstarrte Superlegierungen;438
11.7.1;6.7.1 Allgemeines;438
11.7.2;6.7.2 Herstellung;439
11.7.2.1;6.7.2.1 Prinzip der gerichteten Erstarrung;439
11.7.2.2;6.7.2.2 Verfahrensparameter und Gefügefehler;442
11.7.3;6.7.3 Besondere Eigenschaften gerichtet erstarrter Legierungen;449
11.7.4;6.7.4 Rekristallisation gerichtet erstarrter Bauteile;454
11.8;6.8 Gerichtet rekristallisierte Dispersions-Superlegierungen;457
11.8.1;6.8.1 Allgemeines;457
11.8.2;6.8.2 Legierungstypen;459
11.8.3;6.8.3 Herstellung;459
11.8.4;6.8.4 Rekristallisation;461
11.8.5;6.8.5 Legierungsaufbau und besondere Eigenschaften;464
11.8.6;6.8.6 Blechlegierungen;465
11.8.7;6.8.7 Korrosionsund Beschichtungsverhalten;466
11.9;6.9 Hochschmelzende Legierungen;468
11.9.1;6.9.1 Allgemeines;468
11.9.2;6.9.2 Festigkeitssteigerung und Legierungsaufbau;471
11.9.3;6.9.3 Aktuelle Entwicklungen;471
11.10;6.10 Intermetallische Phasen als Konstruktionswerkstoffe;473
11.10.1;6.10.1 Allgemeines;473
11.10.2;6.10.2 Klassifizierung der intermetallischen Phasen;474
11.10.3;6.10.3 Besondere Eigenschaften der intermetallischen Phasen;478
11.10.4;6.10.4 Potenzielle intermetallische Konstruktionswerkstoffe;480
11.11;6.11 Edelmetalllegierungen;487
11.12;6.12 Verunreinigungen und Reinheitsgradverbesserung;488
11.12.1;6.12.1 Allgemeines;488
11.12.2;6.12.2 Einflüsse von Verunreinigungen auf die Eigenschaften;489
11.12.3;6.12.3 Maßnahmen zur Reinheitsgradverbesserung;493
11.13;6.13 Vergleich von Hochtemperaturwerkstoffen und Aspekte der Werkstoffwahl;494
12;7 Hochtemperaturbeschichtungen;503
12.1;7.1 Hochtemperatur-Korrosionsschutzschichten;503
12.1.1;7.1.1 Funktion;503
12.1.2;7.1.2 Beanspruchungen und Anforderungen;504
12.1.3;7.1.3 Aufbringverfahren;505
12.1.3.1;7.1.3.1 CVD-Verfahren;507
12.1.3.2;7.1.3.2 PVD-Verfahren;512
12.1.3.3;7.1.3.3 Thermische Spritzverfahren;513
12.1.3.4;7.1.3.4 Plattieren;517
12.1.4;7.1.4 Beschichtungsarten und Eigenschaften;517
12.1.4.1;7.1.4.1 Diffusionsschichten;518
12.1.4.2;7.1.4.2 Auflageschichten;520
12.1.5;7.1.5 Thermisch-mechanisches Verhalten beschichteter Bauteile;526
12.1.5.1;7.1.5.1 Wärmespannungen in Werkstoffverbunden;526
12.1.5.2;7.1.5.2 Physikalische und mechanische Eigenschaften von Beschichtungen;530
12.1.5.3;7.1.5.3 Thermozyklisches Verhalten;534
12.2;7.2 Wärmedämmschichten;538
12.2.1;7.2.1 Funktion;538
12.2.2;7.2.2 Anforderungen;543
12.2.3;7.2.3 Aufbringverfahren für Keramikschichten;544
12.2.4;7.2.4 Arten und Eigenschaften;544
12.2.4.1;7.2.4.1 Keramikschichten;545
12.2.4.2;7.2.4.2 Haftschichten;550
13;8 Maßnahmen an betriebsbeanspruchten Bauteilen;553
13.1;8.1 Zustandsbeurteilungen;553
13.2;8.2 Rekonditionierungsmaßnahmen;561
14;Literatur;564
15;Anhang 1 Berechnung von Volumenanteilen der .'-Phase;580
16;Anhang 2: Chemische Zusammensetzungen;584
17;Anhang 3 Handelsnamen;591
18;Werkstoffverzeichnis;592
19;Sachwortverzeichnis;596

Über Autor(innen)

Prof. Dr.-Ing. Ralf Bürgel war sowohl langjährig im Kraftwerksbau tätig als auch in der Hochschullehre und angewandten Forschung. Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier hat den Lehrstuhl für Werkstoffkunde an der Universität Paderborn inne. Dr.-Ing. Thomas Niendorf ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am gleichen Lehrstuhl.