Hochtemperatur-Werkstofftechnik

 

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Inhalt

Die Vorlesung Hochtemperatur-Werkstofftechnik behandelt Fragen der Werkstoffmechanik in Anwendungen bei erhöhter Temperatur. Generell werden darunter Betriebstemperaturen oberhalb von 500 °C verstanden, die in vielen Bauteilen in der Kraftwerkstechnik sowie in Flugtriebwerken und Verbrennungsmotoren auftreten.

Zunächst werden wesentliche Auswirkungen erhöhter Temperatur auf das mechanische Verhalten von kristallinen Werkstoffen vorgestellt: die temperaturabhängige Fließgrenze, das zeitabhängige Kriechen, die Relaxation. Diese Phänomene werden auf metallphysikalische Mechanismen wie Diffusionsprozesse und die Bewegung von Versetzungen zurückgeführt. Die für die Bauteilauslegung relevanten Gleichungen für das zeitabhängige Werkstoffverhalten werden für den Fall der einachsigen Beanspruchung besprochen.

Es folgt die Behandlung von Bruchvorgängen bei erhöhten Temperaturen. Nach der Darstellung der Bruchmechanismen werden Ansätze vorgestellt, die eine Extrapolation der Lebensdauer von Bauteilen unter Hochtemperaturbeanspruchung erlauben. Ein wesentlicher Teil der Vorlesung ist Ermüdungsvorgängen bei erhöhter Temperatur, insbesondere der Kriech-Ermüdungs-Wechselwirkung gewidmet. In diesem Zusammenhang werden auch die wichtigsten Alogrithmen in den einschlägigen Regelwerken für drucktragende Bauteile behandelt.

Die wichtigsten Gruppen warmfester Werkstoffe werden vorgestellt. Ausgehend von den bei der Legierungsentwicklung und Wärmebehandlung genutzten metallphysikalischen Wirkmechanismen ergeben sich bestimmte Eigenschaftsprofile, welche die Anwendungsfelder der einzelnen Werkstoffe bestimmen. Schwerpunktsmäßig werden die warmfesten Stähle und die Nickelbasis-Superlegierungen inklusive ihrer gerichtet erstarrten und einkristallinen Varianten besprochen. Darüberhinaus behandelt die Vorlesung Werkstoffe auf Kobaltbasis, höchst warmfeste Wolfram- und Molybdänlegierungen, als Konstruktionswerkstoffe genutzte intermetallische Phasen und einige technische Keramiken, die in Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden.

 

Angestrebte Lernziele

Wissen und Verstehen:

In Vertiefung der allgemeinen Kenntnisse zur technischen Mechanik und Werkstoffkunde kennen die Studierenden:

  • die wesentlichen Auswirkungen erhöhter Temperatur auf das mechanische Verhalten der wichtigsten Hochtemperaturwerkstoffe
  • metallphysikalischen Mechanismen, die zu zeitabhängiger plastischer Verformung und Schädigung führen
  • Methoden zur Auslegung von Bauteilen unter Hochtemperaturbeanspruchung
  • die wichtigsten Gruppen der Hochtemperaturwerkstoffe und ihre Anwendungsfelder

Fertigkeiten und Kompetenzen:

Die Studierenden sind in der Lage, die Bauteile für Hochtemperaturanwendungen (z.B. in der Kraftwerkstechnik und der Luftfahrt) auszulegen. Dabei setzen sie ihr wissenschaftlich fundiertes Urteilsvermögen ein, um Probleme zu analysieren, auch wenn diese unüblich oder unvollständig definiert sind und konkurrierende Spezifikationen aufweisen. Sie sind fähig, für die Lösung von Problemen die geeigneten Elemente selbständig theoriegeleitet auszuwählen, diese gegenüber zu stellen und kritisch zu bewerten. Auf diese Weise erhalten sie Kompetenzen zur selbstständigen analytisch-mathematischen Problemlösung. Sie planen theoretische oder/und experimentelle Untersuchungen und führen diese selbständig durch.

 

Literaturhinweise

E. El Magd: Hochtemperatur-Werkstofftechnik, Shaker-Verlag, Aachen, 2009

R. Bürgel: Handbuch Hochtemperatur-Werkstofftechnik, Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2006