Modellkompatible Beschreibung der Festigkeit ferritischer und austenitischer ODS-Stähle mittels skalenübergreifender Werkstoffcharakterisierung
Creators: name: Seils, Sascha
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: ODS-Stahl
austenitisch
Atomsondentomographie
XRD
EBSD
mechanisches Legieren
Temperaturabhängigkeit der Festigkeit
Orowan-Härtung
Hall-Petch-Härtung
Versetzungshärtung
Kriechen

description: Für die Effizienzsteigerung traditioneller Kraftwerke und die Entwicklung neuer Technologien
der Energieumwandlung, wie zum Beispiel in Fusionsreaktoren, ist die Weiterentwicklung
bisher eingesetzter Materialien notwendig. Ferritische, oxidpartikelverstärkte
(ODS-)Stähle zeigen vielversprechende Eigenschaften, zu denen eine exzellente Kriech- und
Oxidationsbeständigkeit sowie ein hoher Widerstand gegen strahlungsbedingte Schwellung
zählen. Sie werden daher für den Einsatz im Temperaturbereich bis 700 °C in reaktiven Umgebungsmedien
untersucht. Die Eigenschaften lassen sich in vielen Fällen auf kleine Oxidpartikel
mit einer Größe &lt; 10 nm zurückführen, die als Nanocluster bezeichnet werden.
In der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften und Potentiale austenitischer ODSModelllegierungen
im Vergleich zu ferritischen Varianten untersucht. Während ferritische
ODS-Stähle aus elementaren Ausgangspulvern und Y2O3-Pulver hergestellt werden, werden
für austenitische Legierungen sowohl elementare als auch vorlegierte Pulver verwendet. Das
Konsolidieren erfolgt anschließend mittels feldunterstützten Sinterns. Um eine Beschreibung
der Struktur-Eigenschafts-Beziehung durchführen zu können, werden möglichst einfache
Legierungssysteme untersucht.
Eine skalenübergreifende Charakterisierung der resultierenden Gefüge wird sowohl im mechanisch
legierten als auch im konsolidierten Zustand durchgeführt. Die Röntgendiffraktometrie
bestätigt auf globaler Ebene die Bildung einphasiger, ferritischer bzw. austenitischer
Legierungen nach dem Konsolidieren. Auf der Mikrometerskala zeigen Rückstreuelektronenaufnahmen
ein ultrafeinkörniges Gefüge in nahezu allen Legierungen. Die Atomsondentomographie
erlaubt die Untersuchung Y-Ti-Cr-reicher Nanocluster, die sowohl im mechanisch
legierten Pulver als auch im konsolidierten Material nachgewiesen werden. Wärmebehandlungen
für 1000 h bei 1000 °C bestätigen schließlich die hohe thermische Stabilität der
Korngröße und der Nanocluster.
Die mechanischen Eigenschaften werden mittels Druckversuchen bei Temperaturen bis
800 °C untersucht. Ferritische ODS-Legierungen zeigen dabei im Vergleich zu den austenitischen
Varianten eine höhere Raumtemperaturfestigkeit. Diese wird mithilfe der zuvor bestimmten
Materialkenngrößen berechnet. Dabei werden gängige Härtungsmodelle, wie die
Versetzungshärtung, die Hall-Petch-Härtung und die Orowan-Härtung verwendet, um die
Unterschiede zwischen ferritischen und austenitischen Legierungen zu erklären. Während
die Hall-Petch- und Orowan-Härtung grundsätzlich den Hauptbeitrag zur Festigkeit beisteuern,
weisen nur die ferritischen Legierungen einen zusätzlichen, signifikanten Beitrag der
Versetzungshärtung auf.
Obwohl keine Gefügeänderungen auftreten, sinkt die Festigkeit der austenitischen und ferritischen
Legierungen aufgrund der in diesem Temperaturbereich dominanten Kriechverformung
oberhalb von 400 bzw. 500 °C deutlich ab. Als mögliche Verformungsmechanismen
werden das auf Diffusionskriechen basierende Coble-Modell und das auf Versetzungskriechen
basierende Blum und Zeng-Modell diskutiert.
Schließlich wird eine Bewertung der bei der modellkompatiblen Festigkeitsberechnung auftretenden
Unsicherheiten durchgeführt. Unter Berücksichtigung dieser Unsicherheiten,
werden die zuvor genannten Modelle angewendet, um die Temperaturabhängigkeit der
Druckfestigkeit erfolgreich zu beschreiben.