Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Was ist eine Warmstreckgrenze?
  • Was versteht man unter Kriechen?
  • Welche Größen haben Einfluss auf die Stärke des Kriechens?
  • Ab welchen Temperaturen ist mit einem technisch relevanten Kriechen zu rechnen?
  • Was ist der Unterschied zwischen dem Zeitstandversuch und dem Kriechversuch?
  • Welchen Vorgang bilden Kriechkurven ab?
  • Welche Aussage liefern Zeitdehngrenzen und Zeitstandfestigkeiten?
  • Weshalb eignen sich grobkörnige Werkstoffe besser als feinkörnige für Hochtemperaturanwendungen?
  • Welche jeweiligen Charakteristika treten beim primären, sekundären und tertiären Kriechen auf?

Kriechen

Werden Bauteile unter normalen Bedingungen unterhalb der Streckgrenze mit einer konstanten Zugbeanspruchung belastet, so ergibt sich in der Regel eine zeitlich konstante (elastische) Dehnung. Oberhalb der Streckgrenze kommt es zu plastischen Verformungen, die jedoch durch Kaltverfestigungseffekte wieder zum Erliegen kommen können. Unter normalen Umständen wird sich auch in diesem Fall keine weitere Dehnung des Bauteils mehr ergeben. Trotz plastischer Verformung kommt es somit nicht zum Bruch des Bauteils. Diese Verhaltensweisen gelten jedoch nur unter der Voraussetzung, dass das Bauteil nicht allzu hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Bei erhöhten Temperaturen verhalten sich Werkstoffe nämlich oftmals anders.

Bei erhöhten Temperaturen stellt man in der Regel ein “aufweichen” des Werkstoffes fest und sowohl die Streckgrenze als auch die Zugfestigkeit nehmen ab. Bis zu gewissen Temperaturen kann dies im Zugversuch mit erwärmten Proben nachgewiesen werden. Die unter erhöhten Temperaturen gewonnenen Streckgrenzen werden dann als Warmstreckgrenzen bezeichnet.

Als Warmstreckgrenzen bezeichnet man Elastizitätsgrenzen bei erhöhten Temperaturen!

Die Warmstreckgrenzen können jedoch nur dann als Grundlage für die Konstruktion von Bauteilen herangezogen werden, wenn das nachfolgend erläuterte Kriechen nicht eintritt oder vernachlässigt werden kann.

So können hohe Temperaturen auch dazu führen, dass Werkstoffe bei langanhaltender Beanspruchung ihre klassische Elastizitätsgrenze verlieren. Der Werkstoff dehnt sich bei noch so geringen Spannungen über eine längere Zeit irreversibel. Diese über einen längeren Zeitraum andauernde plastische Verformung bei erhöhter Temperatur und unter statischer Beanspruchung wird auch als Kriechen bezeichnet.

Als Kriechen bezeichnet man die irreversible Verformung eines Werkstoffes bei erhöhten Temperaturen; selbst bei noch so geringen Spannungen!

Die Ursache des Kriechens ist im Abschnitt Kriechmechanismus näher erläutert. Das Kriechen nimmt grundsätzlich mit folgenden Einflussgrößen zu:

  • Beanspruchungshöhe,
  • Beanspruchungstemperatur und
  • Beanspruchungsdauer

In Zugversuchen kann das Kriechverhalten nicht realitätsgetreu erfasst werden, da die Probe unter zügig steigender Beanspruchung relativ schnell verformt und zum Bruch geführt wird. Die zeitgesteuerten Kriechvorgänge treten dann in den Hintergrund. Dies gilt auch für die im Warmzugversuch ermittelten Warmstreckgrenzen.

Aus diesem Grund finden Versuche statt, die bei konstanter Zugbeanspruchung über einen relativ langen Zeitraum bei erhöhter Temperatur gefahren werden und so das stattfindende Kriechen erfasst werden kann. Diese sogenannten Kriechversuche oder Zeitstandversuche können in Langzeitversuchen einen Zeitraum von mehreren Jahren (!) umfassen. Der Kriechversuch hat bspw. bei Werkstoffen für Turbinenschaufeln oder für Schrauben von Druckbehältern eine große Bedeutung.

Schematischer Aufbau eines Zeitstandversuchs
Abbildung: Schematischer Aufbau eines Zeitstandversuchs

Der Zeitstandversuch (Kriechversuch) dient der Untersuchung der Warmfestigkeit von Werkstoffen, die über längeren Zeitraum einer konstanten Beanspruchung bei erhöhter Temperatur unterliegen.

Beachte, dass das Phänomen des Kriechens auch bei relativ niedrigen Temperaturen auftritt. Jedoch laufen die hierfür notwendigen Vorgänge in der Regel so langsam ab, sodass das Kriechen bei Raumtemperatur für metallische Werkstoffe in der Praxis keine Bedeutung hat. Erst im Bereich ab ca. 40 % der Schmelztemperatur (in Kelvin) ist mit einem technisch relevanten Kriechverhalten zu rechnen. Für Baustähle bedeutet dies, dass Kriechvorgänge ab Temperaturen von etwa 400 °C zu berücksichtigen sind.

Kriechkurven

Im Zeitstandversuch (stress-rupture-test) wird bei konstanter Temperatur die Zeitdauer \(t\) ermittelt, die bei gegebener Spannung \(\sigma\) zu einem bestimmten plastischen Dehnbetrag \(\epsilon\) oder zum Bruch der Probe führt. Wird zusätzlich in regelmäßigen Zeitabständen der plastische Verformungsanteil der Probe gemessen (Kriechdehnung), so bezeichnet man diese Versuchsvariante dann auch als Kriechversuch (creep-rupture-test). Diese Vorgehensweise wird an mehreren identischen Proben mit unterschiedlichen Spannungen wiederholt, wobei die Prüftemperatur in allen Fällen unverändert bleibt. Die erhaltenen zeitlichen Verläufe der Kriechdehnungen werden auch als Kriechkurven bezeichnet. Aufgrund der großen Wertebereiche wird das Diagramm meist in einem doppellogarithmischen Maßstab ausgeführt.

Spannung-Dehnungs-Diagramm des Zeitstandversuchs
Abbildung: Spannung-Dehnungs-Diagramm des Zeitstandversuchs

Im Zeitstandversuch wird bei konstanter Spannung und Temperatur die Zeitdauer bis zum Bruch der Probe ermittelt. Im Kriechversuch wird zusätzlich das explizite Verhalten der Dehnung in Abhängigkeit der Zeit aufgezeichnet (Kriechkurven)!

Aus den Kriechkurven können anschließend die zu einer bestimmten plastischen Dehnung oder zum Bruch führenden Zeitwerte in ein separates Zeit-Spannungs-Diagramm übertragen werden. Diese Diagrammform wird dann auch als Zeitstandfestigkeits-Diagramm oder kurz als Zeitstandschaubild bezeichnet. Bei gegebener Einsatzdauer kann aus diesem Diagramm die Spannung ermittelt werden, die nach Ablauf der Einsatzdauer zu einer bestimmten Dehnung (Zeitdehngrenze) oder zum Bruch der Probe führt (Zeitstandfestigkeit). Beachte, dass Zeitstanddiagramme immer nur für eine bestimmten Temperatur gelten!

Ermittlung des Zeitstand-Schaubildes aus Kriechkurven
Abbildung: Ermittlung des Zeitstand-Schaubildes aus Kriechkurven

Eine Zeitdehngrenze in der Angabe \(R_{p1/10.000h/400°C}\) = 170 N/mm² bedeutet, dass sich der Werkstoff bei einer Temperatur von 400 °C um 1 % plastisch dehnt, wenn dieser einer Spannung von 170 N/mm² für 10.000 Stunden ausgesetzt wird. Die Angabe einer Zeitstandfestigkeit von bspw. \(R_{m/10.000h/500°C}\) = 74 N/mm² meint, dass der Werkstoff bei einer Temperatur von 500 °C einer Belastung von 74 N/mm² für insgesamt 10.000 Stunden standhalten kann bevor er bricht.

Beachte, dass es bei Zeitstandversuchen keine Dauer(stand)festigkeiten wie bei Dauerschwingversuchen gibt, d.h. die Probe wird bei noch so geringen Spannungen früher oder später immer plastische Verformungen davontragen oder zu Bruch gehen.

Kriechmechanismus

Grund für das Kriechen sind thermisch aktivierte Vorgänge. So treten bei hohen Temperaturen verstärkt Diffusionsvorgänge in Kraft. Durch die vermehrt stattfindenden Platzwechsel der Atome können sich festgesetzte Versetzungen bspw. durch Klettern oder Quergleiten wieder von Hindernissen lösen und auf andere Gleitebenen übergehen und weiterwandern (Versetzungsgleiten). Es kommt somit selbst bei geringen Spannungen zu irreversiblen Verformungsvorgängen.

Darüber hinaus ändern sich oberhalb der Rekristallisationstemperatur verstärkt die Korngrenzen aufgrund der diffundierenden Atome. Die Korngrenzen beginnen zu wandern und die Körner verschieben sich. Dieses Korngrenzengleiten trägt ebenfalls zur allmählichen Verformung des Gefüges unter Last bei. Besonders ausgeprägt ist das Korngrenzengleiten bei Gefügen mit vielen Korngrenzen, d.h. bei feinkörnigen Gefügestrukturen. Durch ein grobkörniges Gefüge kann das Korngrenzengleiten hingegen verringert werden.

All die oben genannten Prozesse wie Versetzungsgleiten und Korngrenzengleiten sind diffusionsgesteuert und nehmen somit immer einen gewissen zeitlichen Umfang in Anspruch. Aus diesem Grund macht sich der damit verbundene irreversible Verformungsprozess (Kriechen) erst über einen längeren Zeitraum bemerkbar.

Grundsätzlich kann unterhalb der Rekristallisationstemperatur ein Kriechen durch Kaltverfestigung wieder zum Stillstand kommen. Dabei zeigen feinkörnige Gefügestrukturen aufgrund der Korngrenzenverfestigung bessere Festigkeitswerte als grobkörnige Gefüge. Oberhalb der Rekristallisationstemperatur fehlen hingegen Kaltverfestigungseffekte aufgrund der Kornneubildung, sodass ein permanentes Kriechen bis zum Bruch zu verzeichnen ist. Aufgrund des besseren Widerstandes gegen Korngrenzengleiten zeigen dabei grobkörnige Gefüge besser Festigkeitswerte als feinkörnige Werkstoffe. Aus diesem Grund werden für thermisch und mechanisch hochbeanspruchte Turbinenschaufeln korngrenzenfreie Werkstoffe eingesetzt (einkristalline Superlegierungen auf Nickelbasis).

Grobkörnige oder gar korngrenzenfreie Werkstoffe (Einkristalle) eignen sich besonders für Hochtemperaturanwendungen!

Kriechstadien

Kriechkurven liefern wichtige Erkenntnisse über die zeitliche Dynamik des Kriechens, d.h. wie das Kriechen zeitlich voranschreitet. Je nachdem ob der Kriechversuch unterhalb oder oberhalb der Rekristallisationstemperatur durchgeführt wird, kann der Kriechvorgang durch Kaltverfestigung gestoppt werden (Kurve 1) oder er wird zwangsläufig zum Bruch führen (Kurven 2 und 3). Im Allgemeinen können dabei drei Bereiche in den Kriechkurven unterschieden werden.

Einfluss der Temperatur auf die Kriechkurven
Abbildung: Einfluss der Temperatur auf die Kriechkurven

Der Bereich I wird primäres Kriechen oder Übergangskriechen genannt und ist durch eine allmähliche Abnahme der Kriechgeschwindigkeit gekennzeichnet. Dieser Bereich ist vor allem bei relativ niedrigen Temperaturen sehr ausgeprägt. Ursache der Verlangsamung der Kriechgeschwindigkeit sind Verfestigungseffekte aufgrund des Aufstaus von Versetzungen.

Einteilung der Kriechbereiche
Abbildung: Einteilung der Kriechbereiche

Schließlich wird sich mit fortschreitender Dehnung bzw. Zeit ein dynamisches Gleichgewicht zwischen den Verfestigungsmechanismen durch Versetzungsaufstau und den Entfestigungsmechanismen durch Versetzungsgleiten einstellen. Dieser Bereich II wird auch als sekundäres Kriechen bzw. stationäres Kriechen bezeichnet und ist folglich durch eine konstante Kriechgeschwindigkeit charakterisiert. Dieser Bereich nimmt bei erhöhten Temperaturen einen großen Anteil an der Gesamtlebensdauer der Probe ein und spielt deshalb eine sehr wichtige Rolle.

Mit größer werdender Dehnung bilden sich mit der Zeit Poren im Werkstoff und der Kriechwiderstand nimmt ab. Es kommt in der Folge zu einer beschleunigten Kriechdehnung die Risse im Material zur Folge hat. Dieser Bereich III wird auch als tertiäres Kriechen bezeichnet und ist durch eine deutliche Zunahme der Kriechgeschwindigkeit gekennzeichnet die schließlich im Bruch der Probe endet. Das tertiäre Kriechen umfasst meist nur einen relativ geringen Zeitbereich gemessen an der Gesamtlebensdauer der Probe.