Verringert sich die Schlagzähigkeit von Legierungen auf Nickel--Basis bei niedrigen Temperaturen erheblich?

1. Nickel-basierte Legierungen mit stabiler Schlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen

Stabile austenitische Matrixstruktur: Diese Legierungen sind mit einer vollständig kubisch-flächenzentrierten (FCC) austenitischen Matrix ausgestattet, die in einem weiten Temperaturbereich keine duktile Sprödigkeitsübergangstemperatur (DBTT) aufweist. Im Gegensatz zu kubisch zentrierten (BCC) Metallen (z. B. Kohlenstoffstahl) ermöglicht die FCC-Struktur die Aktivierung mehrerer Versetzungsgleitsysteme auch bei extrem niedrigen Temperaturen, wodurch Aufprallenergie effektiv absorbiert und Sprödbrüche verhindert werden.

Geringer Gehalt an spröden Phasen und Verunreinigungen: Die chemische Zusammensetzung dieser Legierungen ist optimiert, um den Gehalt an spröden Ausscheidungen (z. B. grobe Karbide, intermetallische Verbindungen) und schädlichen Verunreinigungen (z. B. Schwefel, Phosphor) zu minimieren. Bei Hastelloy C276 beispielsweise wird der Kohlenstoffgehalt streng auf unter 0,01 % kontrolliert, um die Bildung durchgehender Karbidfilme an den Korngrenzen zu vermeiden, die zu Versprödung führen könnten.

Einheitliche Mikrostruktur: Eine angemessene Wärmebehandlung (z. B. Lösungsglühen) gewährleistet eine homogene Korngröße und beseitigt innere Spannungen. Feine und gleichmäßige Körner können die Ausbreitung von Mikrorissen während der Schlagbelastung verhindern und so eine hohe Schlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen gewährleisten.

2. Nickel-basierte Legierungen mit offensichtlichem Rückgang der Schlagzähigkeit bei niedrigen-Temperaturen

Verstärkungsphase des Niederschlags: Diese Legierungen beruhen auf einer großen Anzahl feiner Verstärkungsphasen (z. B. „Phase“, „Phase“), um eine hohe Temperaturfestigkeit zu erreichen. Bei niedrigen Temperaturen nimmt die Wechselwirkung zwischen Versetzungen und diesen starren Verfestigungsphasen zu, wodurch die Versetzungsmobilität in der Matrix verringert wird. Dies führt zu einer Verringerung der Fähigkeit der Legierung, Schlagenergie zu absorbieren, was zu einer geringeren Schlagzähigkeit im Vergleich zur Raumtemperatur führt.

Gefahr der Korngrenzenversprödung: Bei unsachgemäßer Wärmebehandlung (z. B. Überalterung) können sich grobe Karbide (z. B. M₂₃C₆) an den Korngrenzen ausscheiden. Bei niedrigen Temperaturen werden diese Karbide zu Spannungskonzentrationspunkten, die die Entstehung und Ausbreitung interkristalliner Risse während des Aufpralls beschleunigen können, was den Rückgang der Zähigkeit weiter verschlimmert.

Kaltverformungseffekt: Kalt-umgeformte ausscheidungs-gehärtete Legierungen weisen eine höhere Versetzungsdichte auf. Bei niedrigen Temperaturen sind die angesammelten Versetzungen schwer zu bewegen, was zu einem deutlicheren Rückgang der Schlagzähigkeit im Vergleich zum geglühten Zustand führt.

Beispielsweise beträgt die Charpy-Schlagenergie der Inconel 718-Legierung bei Raumtemperatur etwa 80–100 J, während sie bei -196 Grad auf 40–60 J abnimmt, was einer Reduzierung von etwa 50 % entspricht. Dieses Zähigkeitsniveau ist jedoch für die meisten Tieftemperatur-Strukturanwendungen immer noch ausreichend.

3. Schlüsselfaktoren, die die Tendenz zur Schlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen beeinflussen

Nickelgehalt: Ein höherer Nickelgehalt trägt zur Stabilisierung der austenitischen Matrix bei und verbessert die Schlagzähigkeit der Legierung bei niedrigen Temperaturen.

Legierungselemente: Elemente wie Mangan und Stickstoff können Körner verfeinern und die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen verbessern; Überschüssiger Kohlenstoff, Silizium und Phosphor fördern die Bildung spröder Phasen und verringern die Zähigkeit.

Wärmebehandlung: Lösungsglühen kann spröde Phasen auflösen und die Zähigkeit verbessern; Eine angemessene Alterung kann eine Vergröberung der Verstärkungsphase vermeiden. Über-Alterung führt zu einer Verschlechterung der Zähigkeit.

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Schlagzähigkeit von Legierungen auf Nickel--Basis bei niedrigen Temperaturen keinen universellen, signifikanten Rückgang zeigt. Korrosionsbeständige Nickel--Kupferlegierungen und hoch{4}reine Nickel--basierte Legierungen behalten auch bei kryogenen Temperaturen eine stabile Zähigkeit bei.