Temperaturabhängigkeit der Beziehung zwischen Festigkeit und Korngröße am Beispiel ferritischer ODS Legierungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war die Untersuchung der temperaturabhängigen Beziehung zwischen Festigkeit und Korngröße. Voraussetzung hierfür ist ein Werkstoff, dessen Mikrostruktur, insbesondere die Korngröße, während der Versuche auch bei hohen homologen Temperaturen unverändert bleibt. Ferritische, oxidpartikelverstärkte „Nanocluster“-Stähle haben sich hierbei als geeignetes Material erwiesen, da die gebildeten Nanocluster die Korngrenzen verankern und sich damit auch bei hohen Temperaturen Proben mit kleinen Korngrößen untersuchen lassen. Neben dieser indirekten Härtungswirkung verursachen die Nanocluster durch Wechselwirkung mit Versetzungen auch einen direkten Härtungsbeitrag. Durch geschickte Legierungsauswahl wurden die einzelnen Beiträge separiert und die temperaturabhängige Festigkeit mittels Druckversuchen bestimmt. Anschließend wurden die Ergebnisse mit aus der Literatur bekannten Modellen verglichen und diese Modelle bewertet. Die Untersuchungen wurden an den mittels mechanischem Legieren hergestellten Legierungen Fe-14Cr-0,4Ti-0,25Y2O3 (alle Angaben in Gew.%) und Fe-14Cr-1Ti-0,5Y2O3 durchgeführt. Es wurde mit Hilfe von Orientierungsabbildungen gezeigt, dass die Korngröße im Temperaturbereich bis 1000 °C auch nach 1000 h stabil bei etwa 0,4 µm liegt. Erst oberhalb dieser Temperatur tritt ein Kornwachstum auf. Durch eine Wärmebehandlung konnte für die Untersuchung der Korngrößenabhängigkeit der Festigkeit eine Korngröße von 4 µm eingestellt werden. Die in dem Material vorhanden Nanocluster wurden mit Hilfe der Atomsonde charakterisiert. Es wurde festgestellt, dass die Clustergröße (~ 2 nm) und –dichte (~ 3·10^23 m^-3 ) bis 1100 °C stabil ist. Die Druckversuche wurden zwischen Raumtemperatur und 1000 °C durchgeführt, so dass die Mikrostruktur im untersuchten Temperaturbereich wie gefordert unverändert bleibt. Die Fließspannung (bestimmt durch die 0,2 %- Stauchgrenze) sinkt für alle untersuchten Werkstoffe und Zustände zunächst mit zunehmender Temperatur linear ab (Niedertemperaturbereich). Bei 400 – 500 °C wird ein starker Abfall der Festigkeit gemessen, bei höheren Temperaturen gleichen sich die Restfestigkeiten aller Proben an (Hochtemperaturbereich). Für die Beschreibung des Festigkeitsabfalls im Hochtemperaturbereich kommen zwei verschiedene Kriechmodelle in Frage, die sich durch die Korngrößenabhängigkeit des Festigkeitsabfalls unterscheiden lassen. Im Coble-Modell tritt der Festigkeitsabfall mit kleinerer Korngröße bei niedrigeren Temperaturen auf, so dass ein Schnittpunkt der Festigkeitsverläufe erwartet wird, der jedoch in den Versuchsergebnissen nicht gefunden wird. Das Blum und Zeng-Modell beschreibt einen korngrößenunabhängigen Festigkeitsabfall mit dem nach entsprechender Parameteranpassung die Versuchsergebnisse im Hochtemperaturbereich gut abgebildet werden können. Im Niedertemperaturbereich wurden die weiteren Festigkeitsbeiträge, die neben dem zu modellierenden Hall-Petch-Beitrag auftreten, zum einen berechnet, zum anderen durch geschickte Wahl von Vergleichslegierungen experimentell bestimmt. Somit ergab sich ein Festigkeitsbereich, der die Ergebnisse der Druckversuche gut wiederspiegelt. Letztendlich konnte das Blum und Zeng-Modell als geeignetes Modell zur Beschreibung des Festigkeitsabfalls im Bereich ab 400 °C identifiziert werden. Zudem konnte die Gültigkeit des Hall-Petch-Modells auch für ultrafeinkörnige „Nanocluster“-Stähle bei niedrigeren Temperaturen gezeigt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Hall-Petch Breakdown at Elevated Temperatures,” Mater. Trans., vol. 55, no. 1, pp. 44–51, 2014
J. H. Schneibel und M. Heilmaier
