Ermüdungsbeständigkeit und Korngröße von Nickellegierungen - Wissen

Einfluss der Korngröße auf die Entstehung von Ermüdungsrissen

Ermüdungsrisse von Legierungen auf Nickel---Basis entstehen normalerweise in Bereichen mit Spannungskonzentrationen an der Oberfläche oder unter der Oberfläche, wie z. B. Korngrenzen, Einschlüssen und Bearbeitungsfehlern.

FürFeinkörnige --Legierungen auf Nickel---Basis, nimmt die Anzahl der Korngrenzen pro Volumeneinheit deutlich zu. Korngrenzen wirken alsWirksame Hindernisse für die Versetzungsbewegung: Wenn zyklische Spannung angewendet wird, sammeln sich Versetzungen an den Korngrenzen an, anstatt große Gleitbänder im --Maßstab zu bilden (die die Hauptursachen für die Entstehung von Ermüdungsrissen sind). Unterdessen können feine Körner die lokale Spannungskonzentration zerstreuen, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung verringert und somit die Rissbildung verbessert wirdErmüdungsgrenzeUndHohe --Zyklus-Ermüdungsbeständigkeit (HCF).der Legierung.

Fürgrobe -körnige Legierungen auf Nickelbasis -, führt die geringe Anzahl von Korngrenzen dazu, dass sich unter zyklischer Belastung leicht kontinuierliche Gleitbänder innerhalb der Körner bilden. Diese Gleitbänder führen zu plastischer Verformung und Mikrorissen - auf der Legierungsoberfläche, wodurch die Entstehung von Ermüdungsrissen beschleunigt wird. Infolgedessen weisen Legierungen mit grober --Körnung im Allgemeinen eine geringere Ermüdungsfestigkeit bei hohen --Zyklen auf.

Einfluss der Korngröße auf die Ausbreitung von Ermüdungsrissen

Der Ausbreitungsprozess von Ermüdungsrissen gliedert sich in zwei Phasen: dieStufe I (transgranulare oder intergranulare langsame Ausbreitung)UndStufe II (schnelle transgranulare Ausbreitung).

Im Stadium I müssen Risse bei feinkörnigen --Legierungen ihren Ausbreitungsweg kontinuierlich ändern, wenn sie mehrere Korngrenzen überqueren, was eine große Menge an Bruchenergie verbraucht und die Ausbreitungsgeschwindigkeit verlangsamt. Bei grobkörnigen --Körnern können sich Risse entlang der Gleitrichtung innerhalb großer Körner mit geringerem Widerstand ausbreiten, was zu einer schnelleren Ausbreitung führt.

Im Stadium II wird die Ausbreitung von Ermüdungsrissen durch den Spannungsintensitätsfaktor dominiert. Zu diesem Zeitpunkt ist der Einfluss der Korngröße abgeschwächt, aber feine Körner haben im Vergleich zu groben Körnern immer noch einen gewissen Vorteil bei der Verlangsamung der Rissausbreitung. Wenn die Korngröße jedoch zu klein ist, erhöht sich der Anteil der Korngrenzen, was unter bestimmten Belastungsbedingungen zu interkristalliner Sprödigkeit führen und einen Teil der Verbesserung des Ermüdungsverhaltens zunichte machen kann.

info-447-442 info-445-446

info-445-446 info-445-448

Sonderfälle unter Bedingungen hoher --Temperatur und hoher --Stressbedingungen

Legierungen auf Nickel---Basis werden häufig in Umgebungen mit hohen --Temperaturen verwendet (z. B. Turbinenschaufeln von Flugzeug---Triebwerken). Unter Bedingungen hoher --Temperatur und niedriger --Zyklusermüdung (LCF) ändert sich die Korrelation zwischen Korngröße und Ermüdungswiderstand:

Feinkörnige --Legierungen sind anfällig dafürKorngrenzengleitenbei hohen Temperaturen, was das Ermüdungsversagen beschleunigt.

Mäßig grobe --körnige Legierungen weisen eine bessere Beständigkeit gegen Korngrenzengleiten auf, sodass ihre Ermüdungsleistung bei niedrigem --Zyklus in diesem Szenario der von fein --körnigen Legierungen überlegen ist.

Optimaler Korngrößenbereich für praktische Anwendungen

Es gibt keine absolut „beste“ Korngröße für Legierungen auf Nickel-{0}}-Basis. Die optimale Korngröße wird durch die bestimmtServicebedingungen:

Für Komponenten, die einer geringen --Beanspruchung und einer hohen --Zyklusermüdung ausgesetzt sind (z. B. Strukturteile von Gasturbinen), afeine --körnige Struktur(Korngrößenklasse 6–8) wird bevorzugt, um die Ermüdungsgrenze zu maximieren.

Für Komponenten, die einer hohen --Temperatur und einer niedrigen --Zyklusermüdung ausgesetzt sind (z. B. Turbinenschaufeln), amäßig grobe --körnige Struktur(Korngrößenklasse 2–4) ist besser geeignet, um eine hohe --Temperaturfestigkeit und einen Widerstand gegen die Ausbreitung von Ermüdungsrissen auszugleichen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ermüdungsbeständigkeit von Legierungen auf Nickel---Basis nicht einfach positiv oder negativ mit der Korngröße korreliert. Es handelt sich um ein umfassendes Ergebnis, das von der Korngrenzendichte, dem Spannungsniveau, der Betriebstemperatur und den Belastungszykluseigenschaften beeinflusst wird. Die rationelle Kontrolle der Korngröße durch Wärmebehandlungsprozesse ist der Schlüssel zur Optimierung des Ermüdungsverhaltens von Legierungen auf Nickel---Basis.