Handbuch Hochtemperatur-Werkstofftechnik

Zwischen tiefen und hohen Temperaturen, Kaltverformung und Warmverformung, quasistabilem und veränderlichem Gefüge bestehen keine scharfen Grenzen. Die physikalisch korrekte Feststellung, daß z. B. Kriechverformung nicht auf hohe Temperaturen beschränkt ist, sondern bei allen Werkstoffen und bei allen Temperaturen oberhalb 0 K einsetzt, ist zunächst ungewohnt. Zustände, die sich über lange Zeiten — scheinbar „unendlich“ lange — nicht ändern, bezeichnet man als stabil, obwohl die meisten davon in Wirklichkeit metastabil sind. Gegenüber den stabilen Gleichgewichtszuständen zeichnen sie sich in vielen Fällen durch technisch attraktive Eigenschaften aus, wie beispielsweise die hohe Festigkeit von Martensit in C-Stählen verglichen mit Ferrit + Karbiden, die hohe Streckgrenze eines feinkörnigen Gefüges gegenüber einem Einkristall oder die Festigkeit bei feiner im Gegensatz zu stark vergröberter Teilchendispersion. Entscheidend für die Frage, wie lange sich ein metastabiler Zustand einfrieren läßt, sind die Gesetzmäßigkeiten der Thermodynamik und Kinetik. Für technische Betrachtungen, d.h. überschaubare Lebensdauern von Konstruktionen, ist das Kriechen der Werkstoffe erst oberhalb etwa 0,4 T_S relevant, darunter vernachlässigbar. In ähnlicher Weise sind viele Grenz- oder Schwellwerte mehr aus ingenieurmäßig-pragmatischen Gründen eingeführt worden, obwohl sie keine klare Trennung „Effekt findet statt oder findet nicht statt“ markieren. Die Hochtemperatur-Werkstofftechnik behandelt Temperaturbereiche, in denen die Gefüge nicht dauerhaft eingefroren bleiben, sondern sich Vorgänge in der Mikrostruktur mit nennenswerter Geschwindigkeit abspielen.

Bei einer homologen Temperatur von etwa 0,4 T_S vollzieht sich ein fließender Übergang von zeitunabhängiger zu zeitabhängiger Festigkeit und Verformung. Bei Vorgängen unterhalb rund 0,4 T_S spricht man von Tieftemperatur- oder Kaltverformung, oberhalb etwa 0,4 T_S von Hochtemperatur- oder Warmverformung. Im Gegensatz zu tiefen Temperaturen bleiben die Versetzungen bei hohen Temperaturen nach der Belastung nicht eingefroren, sondern befindet sich ständig in Bewegung.

Unter zyklischer Beanspruchung wird eine zeitliche Änderung der Spannung oder der Temperatur verstanden. Der Begriff Wechselbeanspruchung wird in diesem Zusammenhang vermieden, weil im engeren Sinne nach DIN 50 100 im Wechselbereich die Spannung ihr Vorzeichen während eines Zyklus ändert, was technisch nicht immer der Fall ist. Als Ermüdung wird die werkstoffschädigende Folgeerscheinung der zyklischen Beanspruchung in Form von Rißbildung und langsamem Rißwachstum bezeichnet, unabhängig von der Temperatur. Damit grenzt sich diese Art der Schädigung ab von Kriechrißbildung und -wachstum, welche unter statischer Belastung bei hohen Temperaturen stattfinden.

Zu den Hochtemperaturwerkstoffen werden alle Materialien gezählt, die oberhalb rund 500 °C dauerhaft für Bauteile eingesetzt werden können und damit langzeitig ausreichende mechanische Eigenschaften und Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit aufweisen müssen. Dafür kommen metallische und keramische Werkstoffe in Frage sowie intermetallische Phasen, welche eine Stellung zwischen den Metallen und den Keramiken einnehmen.

Hochtemperaturbeschichtungen werden hauptsächlich eingesetzt, um zwei Funktionen zu erfüllen: a) Korrosionsschutz und b) Wärmedämmung der Bauteile. Während für die erstgenannte Aufgabe metallische Schichten aufgebracht werden, handelt es sich bei Wärmedämmschichten um keramische Überzüge mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Gleichzeitig bewirken letztere einen Korrosionsschutzeffekt des Substrates.

Die Werkstoffzustandsänderungen nach Tabelle 1.1 können die Gebrauchseigenschaften des Werkstoffes und damit den Gebrauchswert des Bauteils in vielfältiger Weise mindern, und zwar durch: