Ausfallmodi und Verstärkungsmethoden von hitzebeständigem Stahl

I. Hauptscheitungsarten von hitzebeständigem Stahl

1. Oxidations- und Hochtemperaturkorrosionsfehler

• Mechanismus:
  Bei hohen Temperaturen reagieren Metallatome mit aktiven Elementen wie Sauerstoff und bilden Oxidfolien (z. B. FeO, Fe2O3).Es kann nicht verhindern, dass das Medium kontinuierlich eindringt., was zu einem kontinuierlichen Verbrauch des Materials und zu einem eventuellen Versagen aufgrund einer Verringerung der Wanddicke oder einer Verringerung der Festigkeit führt.
  Wenn in der Umwelt Elemente wie S und Cl vorhanden sind (z. B. schwefelhaltige Rauchgase und Chloridmedien),Korrosion bei hohen TemperaturenDie erzeugten Sulfide (FeS) oder Chloride (FeCl3) haben einen niedrigen Schmelzpunkt und sind flüchtig, was den Korrosionsprozess beschleunigt.
• Typischer Fall: Wenn in der Kessel überhitzende Rohre in schwefelhaltigem Rauchgas eingesetzt werden, bildet sich auf der Oberfläche eine lose gemischte Schicht aus FeS und FeO. Nach dem Schälen dünnt sich die Rohrwand schnell und bricht schließlich.

2Das ist ein Fehler.

• Mechanismus:
  Bei hohen Temperaturen erhöht sich die Diffusionsfähigkeit der Atome, und Verwerfungen im Inneren des Materials bewegen sich langsam, Korngrenzen gleiten oder Hohlräume wachsen,die zu makroskopischen Verformungen führen (z. B. Verlängerung und Ausbuchtung)Wenn die Verformung den kritischen Wert übersteigt (in der Regel 1% bis 5%), entstehen Risse, die sich zu einem Bruch ausbreiten.
  Das Merkmal des Kriechversagens ist, dass die FrakturoberflächeZwischengranulare Fraktur(Körnergrenzen sind schwache Glieder, anfällig für Hohlraumbildung) und die Verformung ist irreversibel.
• Typischer Fall: Dampfturbinenschrauben dienen lange Zeit unter hoher Temperatur und Druck, was zu einer übermäßigen Dehnung durch Kriechen führt, das eine Versiegelung und sogar Bruch nicht gewährleistet.

3. Ermüdungsfehler

• Mechanismus:
  Bei Temperaturänderungen führt die Mismatchung der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem inneren Material oder angrenzenden Bauteilen (wie Muscheln und Rohren) zu periodisch wechselnden thermischen Spannungen.Wenn die Belastung die Müdigkeitsgrenze des Materials überschreitet, entstehen Mikrorisse an der Oberfläche oder an Defekten und erweitern sich allmählich zu durchdringenden Rissen.
  Die thermischen Müdigkeit Risse sind meistmit einer Breite von mehr als 20 mmund sich entlang oder durch Körner ausdehnen (je nach Materialzähligkeit).
• Typischer Fall: Der Abgasspülkasten eines Verbrennungsmotors erzeugt aufgrund wiederholter Start-Stopp- und starker Temperaturschwankungen eine große Anzahl an thermischen Ermüdungsspalten an der Oberfläche,und schließlich bricht.

4. Mikrostruktureller Abbauversagen

• Typische Fälle:
  • Perlithischer hitzebeständiger Stahl (z. B. 12Cr1MoV): Der Zementit (Fe3C) in Perlit wird unter langfristigen hohen Temperaturen zu Spheroiden, Aggregaten und sogar zu Graphit umgewandelt.die zu einer signifikanten Verringerung der Festigkeit führt.
  • Austenitischer hitzebeständiger Stahl: Die Verstärkungsphase (z. B. γ'-Phase Ni3Al) wird bei langfristigen hohen Temperaturen grob oder löst sich auf.Verlust der Stärkungseffekte und Verringerung der Kriechfestigkeit.

II. Verstärkungsverfahren für wärmebeständiges Stahl

1. Legierungsverstärkung (Kernmethode)

• Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit:
  Zusätzliche Elemente wie Cr (12%-30%), Al (2%-5%) und Si (1%-3%) bilden eineDichte Oxidfolie(z. B. Cr2O3, Al2O3, SiO2) auf der Oberfläche, um das Eindringen von Medien zu blockieren.erheblich verbessert die Oxidationsbeständigkeit.
• Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit (Kriechfestigkeit):
  • Festlösungsverstärkung: Hinzufügen von W und Mo (mit großem Atomradius, die eine starke Bindung mit Fe bilden), um die Bindungskraft zwischen Matrixatomen zu verbessern und die Dislokationsbewegung zu hemmen (z. B.,Mo kann die Schleichaktivierungsenergie der Eisenmatrix um mehr als 30% erhöhen).
  • Verstärkung durch Niederschlag: Hinzufügen von V, Nb, Ti, Ta usw.hochtemperaturstabile Carbide/Nitride(z. B. VC, NbC) mit C/N, Pinning Dislokationen und Korngrenzen und Hindernisse für die Kriechdeformation (z. B. V in 12Cr1MoV bildet VC, was die Kriechfestigkeit erheblich verbessert).
  • Phasenstabilisierung: Hinzufügen von Ni (8-20%) zur Bildung einer austenitischen Matrix (stabiler als Ferrit mit niedrigem Diffusionskoeffizient),wie 310S austenitischer Stahl (25%Cr-20%Ni) kann über 1000°C lange halten.
• Verbesserung der Leistungsfähigkeit bei thermischer Müdigkeit:
  Hinzufügen von Mn und Ni zur Verringerung des thermischen Expansionskoeffizienten (z. B. hat Incoloy 800H einen um 20% niedrigeren thermischen Expansionskoeffizienten als ferritischer Stahl, da er 30% Ni enthält),oder Cu und Nb hinzufügen, um die Materialzähne zu verbessern (Rissverbreitung hemmen).

2. Wärmebehandlung Stärkung

• Lösungsbehandlung + Alterungsbehandlung:
  geeignet für austenitischen, hitzebeständigen Stahl (z. B. GH4169): Durch Lösungsbehandlung (1000-1100°C) lösen sich Legierungselemente (Nb, Ti) gleichmäßig auf,und Alterung (700-800°C) precipitiert γ''-Phase (Ni3Nb) und γ'-Phase (Ni3Al), was die Kriechfestigkeit durch Niederschlagverstärkung erheblich verbessert.
• Normalisierung + Tempering:
  Geeignet für perartigen, hitzebeständigen Stahl (z. B. 12Cr1MoV): Normalisierung (950-1050°C) erzeugt eine feine Perlitstruktur und Härtung (750-800°C) beseitigt Spannungen und stabilisiert Karbide,Verhinderung der Spheroidierung von Perlit bei langfristigen hohen Temperaturen (Spheroidierung führt zu einer Stärkeverringerung von mehr als 50%).
• Brennen:
  Es wird verwendet, um Verarbeitungsbelastungen zu beseitigen (z. B. die hitzebelastete Zone nach dem Schweißen), Körner zu verfeinern und die Entstehung von thermischen Müdigkeitskrecken zu vermeiden.

3. Oberflächenverstärkung

• Oberflächenlegierung:
  Aluminierung und Chromisierung (z. B. Aluminierungsbehandlung): Auf der Stahloberfläche wird eine mit Al2O3 oder Cr2O3 angereicherte Schicht (50-200μm) gebildet.die die Oxidationsbeständigkeit um 200-300°C im Vergleich zur Matrix erhöht (z. B., kann 20G-Aluminiumstahl über 800°C dienen).
• Beschichtungstechnik:
  mit einer Breite von mehr als 10 mm,mit einer Breite von mehr als 20 mm,.
• Laserschmelzen der Oberfläche:
  Schnelle Erwärmung und Kühlung der Oberfläche mit einem Laser zur Bildung einer feinkörnigen oder amorphen Schicht, Verbesserung der Oberflächenhärte und Verschleißbeständigkeit und Verringerung der Oxid-Schale-Peeling.

4. Mikrostrukturkontrolle

• Optimierung der Korngröße:
  Grobere Körner (mit kleiner Körnengrenzfläche) können die Korngrenzrutschung reduzieren und die Kriechfestigkeit verbessern (z. B.Turbinenblätter aus austenitischem Stahl mit grobkörnigem Stahl haben eine um 30% höhere Kriechdauer)• Feinkörner können die Zähigkeit und die thermische Erschöpfung verbessern (z. B. verhindern Körnergrenzen die Ausbreitung von Rissen,Wärmetauscherröhren aus feinkörnigem ferritischem Stahl haben eine 50%ige Verlängerung der thermischen Müdigkeit).
• Entwurf von Duplexstrukturen:
  Ferrit bietet eine gute Oxidationsbeständigkeit, Austenit eine hohe Festigkeit,und sowohl Korrosionsbeständigkeit als auch Kriechbeständigkeit aufweist (der anwendbare Temperaturbereich ist 100-150 °C breiter als der von Einphasenstahl).

Zusammenfassung