Was ist Kriechversagen und Stadien des Kriechens – www.materialwelding.com

Was ist Kriechen

Es ist ein Versagensmechanismus, der in einem Material auftreten kann, das über einen längeren Zeitraum einer Belastung unterhalb seiner Elastizitätsgrenze (Streckgrenze) ausgesetzt ist, wobei das Material in Richtung der angelegten Spannung an Länge zunimmt. Daher ist es wichtig, die Verformungsgeschwindigkeit bei einer bestimmten Last und Temperatur zu kennen, wenn Komponenten sicher für den Hochtemperaturbetrieb ausgelegt werden sollen. Zu diesem Zweck werden kriechfeste Legierungen entwickelt. Alle Metalle und Legierungen sind vom Kriechen betroffen.

Bei Metallen tritt an den Korngrenzen ein Kriechversagen auf, das zu einem Interkristallbruch führt. Abbildung 1 zeigt die Hohlräume, die sich im frühen Kriechstadium an den Korngrenzen bilden.

Arten von Kriechversagen

Es gibt verschiedene Arten von Kriechversagen, die wie folgt charakterisiert werden können:

Interkristallines Kriechversagen

Dies tritt nach längerer Einwirkung von Temperatur und Belastung auf. Frühe Stadien des Langzeitkriechens manifestieren sich als Hohlräume an den Korngrenzen, die sich anschließend zu Korngrenzenrissen / Rissen verbinden. Dadurch kommt es zu einer geringen Verringerung der Querschnittsfläche und es tritt ein dickwandiger Bruch auf. Die zerstörungsfreie Replikationsmetallographie ist ein wirksames Mittel zur Bestimmung des Vorhandenseins von Langzeitkriechschäden.

Darüber hinaus werden die Plättchen aus Eisenkarbid in der Perlitstruktur von Kohlenstoffstählen durch langfristige Überhitzung thermisch zu sphäroidisiertem Eisenkarbid abgebaut. Die fortgesetzte Zersetzung in unlegierten Kohlenstoffstählen kann zu einem vollständigen Abbau zu Graphit plus Ferrit führen. Dieser Abbau kann auch mittels Replikationsmetallographie nachgewiesen werden.

Transgranularer Kriechbruch

Diese Art von Bruch kann bei kurzzeitigen Kriechausfällen auftreten. Die Duktilität und die Verringerung der Fläche sind normalerweise groß und viel größer als bei Raumtemperatur, wodurch ein gewölbter, dünnwandiger Bruch entsteht.

Punktbruchbruch

Bei ausreichend hohen Temperaturen und geringen Spannungen kann die Rekristallisation während des Kriechens mikrostrukturelle Kriechschäden beseitigen. Infolgedessen keimen Hohlräume nicht, und es kann zu einem Einschnüren bis zu einem Punkt kommen.

Zusätze des Chroms und des Molybdäns in den Stählen können Ausdehnungsleben erhöhen. Mechanische oder chemische Reinigung wird im Allgemeinen verwendet, um Ablagerungen in Kesselrohren zu entfernen, wodurch das Risiko lokaler Hot Spots verringert wird. Ein geeignetes Inspektionsprogramm, das die Überwachung des Wanddickenverlusts, der mikrostrukturellen Verschlechterung und der Kriechschäden umfasst, ist ebenfalls ein wirksames Mittel, um die Wahrscheinlichkeit eines Kriechversagens zu verringern.

Stufen des Kriechversagens in Materialien

Kriechversagen tritt in drei verschiedenen Phasen in Materialien auf, wenn sie ihrer Kriechtemperatur ausgesetzt sind. In diesen Kriechstufen verlieren Materialien zunehmend ihre Solidität und bilden Kriechhohlräume. Diese Kriechhohlräume breiten sich unter weiterer Belastung in kriechinduzierten Rissen aus.

1. Primäres Kriechen: Eine schnelle Längenzunahme, bei der die Kriechrate abnimmt, wenn die Metallarbeit aushärtet.
2. Sekundäres Kriechen (stationärer Zustand): es ist eine Periode nahezu konstanter Kriechrate und die Periode, die den größten Teil der Kriechlebensdauer eines Bauteils ausmacht.

3. Tertiäres Kriechen: Es tritt auf, wenn die Kriechlebensdauer fast erschöpft ist, sich Hohlräume im Material gebildet haben und die effektive Querschnittsfläche verringert wurde. Die Kriechrate beschleunigt sich, wenn die Spannung pro Flächeneinheit zunimmt, bis die Probe schließlich versagt.

Verschiedene Kriechstufen und ihre jeweiligen Werkstoffbedingungen sind in der folgenden Abbildung 2 dargestellt.

Mechanismus des Kriechversagens

Bei erhöhten Temperaturen und Spannungen, die viel geringer sind als die Streckgrenze bei hohen Temperaturen, unterliegen Metalle einer permanenten plastischen Verformung, die als Kriechen bezeichnet wird. Abbildung 3 zeigt eine schematische Kriechkurve für eine konstante Last; ein Diagramm der zeitlichen Längenänderung. Das Gewicht oder die Last auf dem Exemplar wird während der Dauer des Tests konstant gehalten. Es gibt vier Abschnitte der Kurve, die von Interesse sind:

• Eine anfängliche steile Rate, die zumindest teilweise elastischen Ursprungs ist, von Punkt “0” bis Punkt “A” in der obigen Abbildung 3.
• Es folgt ein Bereich, in dem die Dehn- oder Verformungsrate mit der Zeit abnimmt, das sogenannte transiente oder primäre Kriechen, von Bereich “A” nach “B” der obigen Abbildung. Der Abschnitt von Punkt “0” zu Punkt “B” erfolgt ziemlich schnell.
• Der nächste Abschnitt der Kriechkurve ist der Bereich von technischem Interesse, in dem die Kriechrate nahezu konstant ist. Der Abschnitt von “B” nach “C” ist nahezu linear und vorhersehbar. Je nach Belastung oder Beanspruchung kann die Zeit sehr lang sein; zwei Jahre im Test und mehrere Jahrzehnte im Betrieb.
• Der vierte Teil der Kriechkurve, jenseits der konstanten Kriechrate oder des linearen Bereichs, zeigt eine schnell ansteigende Kriechrate, die im Versagen gipfelt. Selbst unter Testbedingungen mit konstanter Last kann die effektive Spannung aufgrund der Schäden, die sich innerhalb der Mikrostruktur bilden, tatsächlich ansteigen.

Kriechausfälle Eigenschaften

Kriechausfälle sind gekennzeichnet durch:

• prall oder Blasen im Röhrchen.
• dickkantige Brüche oft mit sehr geringer offensichtlicher Duktilität.
• longitudinale “Spannungsrisse” in einer oder beiden ID- und OD-Oxidskalen.
• externe oder interne Oxidschichtdicken, die auf höhere Temperaturen als erwartet hindeuten.
• interkristalline Hohlräume und Risse in der Mikrostruktur

Anfängliche Kriechtemperatur der Materialien

Die anfängliche Kriechtemperatur von Kohlenstoffstahl, C-0,5 Mo, 1,25 Cr-0,5 Mo, 2,25 Cr-1Mo und Edelstahl ist in der folgenden Tabelle dargestellt.

Kriechversagen vs. Ermüdungsversagen

Ermüdung ist eine Situation, in der das Bauteil zyklisch belastet wird. Die Auslegungsspannung, die bei der Ermüdungsbelastung als Dauerfestigkeit verwendet wird, ist viel geringer als die Streckgrenze und die Endfestigkeit des Materials. 90 Prozent der Maschinenkomponenten versagen durch Ermüdung. Zum Beispiel ist es schwierig, einen Draht durch Dehnen zu brechen, aber wenn wir eine zyklische Last anwenden und den Draht mehrmals biegen, bricht er leicht.
Kriechen ist eine Situation, in der sich ein Bauteil bei konstanter Belastung mit der Zeit verformt, wenn es in Betrieb genommen wird. Das beste Beispiel, um dies zu veranschaulichen, ist, dass elektrische Kabel bei der Installation fest (fest) sind, aber nach einiger Zeit aufgrund des Eigengewichts durchhängen.