Kriech-Ermüdungsverhalten und Analyse der belastungs- und kornstrukturabhängigen Lavesphasenbildung in hoch-chromhaltigen ferritischen Hochtemperaturstählen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tilmann Beck
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450763904

Hier ist der final überarbeitete Abstract ohne Absatzmarkierungen, gemäß den DFG-Richtlinien:Durch die Ausscheidung feinverteilter Lavesphasenpartikel verfestigte, ferritische Stähle mit Cr-Gehalten um 17 Ma.-% (High Performance Ferrites – HiPerFer) stellen hinsichtlich ihrer Kriechbeständigkeit, ihres Ermüdungsverhaltens und ihrer überlegenen Korrosionsbeständigkeit bei Temperaturen bis 650°C eine ausgesprochen erfolgversprechende Alternative zu etablierten hochwarmfesten martensitischen Stählen mit Cr.-Gehalten um 9 Ma.-% dar. Während bereits vor Beginn des Vorhabens ein guter Kenntnisstand zum Kriechverhalten von HiPerFer-Materialien vorlag, erfolgte in der abgeschlossenen 1. Phase erstmals eine umfassende, vergleichende Bewertung des Ermüdungsverhaltens eines HiPerFer-Materials und des für hochwarmfeste Martensite repräsentativen Stahls P91. Hierbei wurden eingehende Analysen des Wechselverformungsverhaltens und der damit assoziierten Änderungen sowohl der Mikrostruktur als auch der mittels instrumentierter zyklischer Eindringprüfung (IZE) bestimmten mikromechanischen Kennwerte durchgeführt. Es zeigte sich, dass das Ermüdungsverhalten des P91 von einer kontinuierlichen, mit steigender Temperatur beschleunigten Degradation der Festigkeit geprägt ist, während das HiPerFer-Material in der Lage ist, der aufgebrachten thermischen und mechanischen Beanspruchung, zumindest innerhalb noch nicht geklärter Grenzen, durch die kontinuierliche Ausscheidung fein verteilter Lavesphase getragene, dynamische Verfestigungsprozesse entgegenzusetzen, die dem HiPerFer-Material insbesondere bei hohen Temperaturen Vorteile in der Ermüdungsfestigkeit gegenüber dem P91 verschaffen können. Unklar ist noch, wie sich vor einer zyklischen Beanspruchung aufgebrachte Kriechdehnungen und durch Mittelspannungen während der Ermüdungsbeanspruchung hervorgerufene Kriechprozesse auf die Mikrostruktur und das Ermüdungsverhalten des HiPerFer auswirken. Diese Fragestellung soll in vergleichenden Untersuchungen an P91 und dem bereits in der 1. Phase betrachteten HiPerFer-Material mit 17 Ma.-% Cr untersucht werden. Hierzu sind Versuche mit sequentiell aufgebrachter Kriech- und anschließender High-Cycle-Fatigue- (HCF-) Beanspruchung sowie HCF-Versuche mit überlagerten Mittellasten, jeweils bei T = 650°C, geplant. Parallel wird anhand von Ermüdungsversuchen mit im Anschluss an jeden Zyklus aufgebrachten lastfreien Haltezeiten der Einfluss der Versuchsfrequenz und damit der Beanspruchungsdauer bei hoher Temperatur von der Wirkung der zyklischen mechanischen Beanspruchung auf die Morphologie der Lavesphase samt der hierdurch verursachten Verfestigung separiert. Zur vertieften Durchdringung der in den Ermüdungsversuchen erzielten Resultate sind umfangreiche Mikrostrukturanalysen sowie IZE auf der Mikro- und Nanoskala geplant. Diese dienen auch der Klärung des in der 1. Phase beobachteten Einflusses der lokalen Kornorientierung auf das Ausscheidungsverhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Bastian Blinn; Dr.-Ing. Bernd Kuhn