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 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).

Kriechkurven liefern wichtige Erkenntnisse über die zeitliche Dynamik des Kriechens, d.h. wie das Kriechen zeitlich voranschreitet. Je nachdem ob die Probe 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. 

Kriechkurve, Zeitstandfestigkeit, Verfestigung, Rekristallisationstemperatur

Abbildung: 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.

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.

Kriechkurve, primäres, sekundäres, tertiäres, Kriechen, Übergangskriechen, Korngrenzengleiten, Versetzungsgleiten

Abbildung: Typische Phasen des Kriechens

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.

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