Mechanismen und legierungsbedingte Einflussfaktoren der Tieftemperaturzähigkeit von ferritisch-austenitischen Duplex-Stählen:
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Bochum
2015
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1
EINLEITUNG.................................................................................................................
1
2 ZIEL DER
ARBEIT..........................................................................................................
3
3
GRUNDLAGEN...............................................................................................................5
3.1 NICHTROSTENDE FERRITISCH-AUSTENITISCHE DUPLEX-STAEHLE
........................................
5
3.2 FERRITISCH-AUSTENITISCHE
ERSTARRUNG.....................................................................6
3.2.1 WAERMEBEHANDLUNG UND VERTEILUNG DER LEGIERUNGSELEMENTE
......................
11
3.3 METALLPHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN
......................................................................
12
3.3.1 GITTERTYPEN UND BINDUNGSARTEN
...................................................................
12
3.3.2 UMWANDLUNGEN IM
EISENGITTER....................................................................14
3.3.3 LOESLICHKEIT DER LEGIERUNGSELEMENTE UND STRUKTURSTABILITAET
........................
16
3.3.3.1 LOESLICHKEIT DER SUBSTITUIERENDEN ATOME
................................................
17
3.3.3.2 LOESLICHKEIT DER INTERSTITIELLEN ATOME
.....................................................
19
3.4 ELASTISCH-PLASTISCHE EIGENSCHAFTEN, VERFORMUNG UND
BRUCH............................21
3.4.1 ELASTISCHE
EIGENSCHAFTEN.............................................................................21
3.4.2
STAPELFEHLER.................................................................................................
22
3.4.3
VERFORMUNGSVORGAENGE.................................................................................23
3.4.3.1 FLIESSSPANNUNG UND GLEITUNG
..............................................................
25
3.4.4 MECHANISCHE
ZWILLINGSBILDUNG...................................................................26
3.4.5 MARTENSITISCHE
UMWANDLUNG......................................................................
27
3.4.6
BRUCH...........................................................................................................28
3.5 TIEFTEMPERATURZAEHIGKEIT UND VERSPROEDUNG DER NICHTROSTENDEN
STAEHLE..............29
3.5.1 GRUNDLAGEN DER TIEFTEMPERATURZAEHIGKEIT
....................................................
29
3.5.2 EINFLUSSFAKTOREN AUF DIE
TIEFTEMPERATURZAEHIGKEIT.......................................31
3.5.3 TIEFTEMPERATURVERSPROEDUNG DER FERRITISCHEN STAEHLE
....................................
31
3.5.4 TIEFTEMPERATURVERSPROEDUNG DER AUSTENITISCHEN STAEHLE
................................
32
3.6 TIEFTEMPERATURVERSPROEDUNG DER FERRITISCH-AUSTENITISCHEN
STAEHLE......................36
3.7 EINFLUSS DER LEGIERUNGSELEMENTE
.....................................................................
37
3.7.1
CHROM.......................................................................................................37
3.7.2
NICKEL..........................................................................................................
38
3.7.3 MANGAN
...................................
38
3.7.4
MOLYBDAEN....................................................................................................
39
3.7.5
KUPFER.........................................................................................................
39
3.7.6
STICKSTOFF.....................................................................................................
39
3.7.7
KOHLENSTOFF..................................................................................................40
4 EXPERIMENTELLE METHODEN
.....................................................................................
41
4.1 NUMERISCHE
SIMULATION....................................................................................
41
4.2 HERSTELLUNG DER VERSUCHS
WERKSTOFFE.................................................................42
4.2.1
WAERMEBEHANDLUNG......................................................................................
42
4.3
PROBENENTNAHME...............................................................................................
43
4.4
WERKSTOFFCHARAKTERISIERUNG...............................................................................44
4.4.1 CHEMISCHE ZUSAMMENSETZUNG DER
VERSUCHSSTAEHLEN...................................44
4.4.2 SCHMELZEXTRAKTION ZUR BESTIMMUNG DES
STICKSTOFFANTEILS..........................44
4.4.3
PERMEABILITAETSMESSUNG................................................................................44
4.5 MIKROSKOPIE UND
MIKROANALYTIK.......................................................................44
4.5.1
LICHTMIKROSKOPIE........................................................................................
44
4.5.2 RASTERELEKTRONENMIKROSKOPIE
.....................................................................
45
4.5.3 ENERGIEDISPERSIVE ROENTGENANALYSE
.............................................................
45
4.5.4 RUECKSTREUELEKTRONENBEUGUNG (EB SD-ANALYSE)
.........................................
45
4.5.5 AUSWERTUNGSVERFAHREN DER EBSD-MESSUNGEN
...........................................
46
4.5.6
TRANSMISSIONSELEKTRONENMIKROSKOPIE.........................................................48
4.6 ERMITTLUNG DER MECHANISCHEN EIGENSCHAFTEN
...................................................
48
4.6.1 INSTRUMENTIERTER KERBSCHLAGBIEGEVERSUCH
..................................................
48
4.6.2
ZUGVERSUCH..................................................................................................50
4.7
KRAFT-EINDRINGPRUEFUNGEN..................................................................................
50
4.7.1
HAERTEMESSUNGEN..........................................................................................
51
4.7.2
NANOINDENTIERUNG........................................................................................51
4.8 ERMITTLUNG DER KORROSIONSRESISTENZ: POTENTIODYNAMISCHE MESSUNG
................
52
5
ERGEBNISSE...............................................................................................................53
5.1
PROBENMATERIAL...............................................................................................
53
5.1.1 KONZEPTLEGIERUNGEN UND THERMODYNAMISCHE SIMULATIONEN
.......................
53
5.1.2 ABGUSS UND CHEMISCHE
ZUSAMMENSETZUNG.................................................57
5.1.3
NITRIDE.........................................................................................................
57
5.1.4
WAERMEBEHANDLUNG......................................................................................
58
5.1.5 GEFUGEZUSTAND DER VERSUCHSLEGIERUNGEN
....................................................
61
5.2 MECHANISCHE
PRUEFUNGEN...................................................................................
64
5.2.1 INSTRUMENTIERTE KERBSCHALGBIEGEARBEIT
.......................................................
65
5.2.1.1 ZAEHIGKEIT DER
FECRNI-LEGIERUNGEN.......................................................
67
5.2.1.2 ZAEHIGKEIT DER
FECRMN-LEGIERUNGEN......................................................69
5.2.1.3 ZAEHIGKEIT DER FERRIT- UND AUSTENITLASTIGEN LEGIERUNGEN
.........................
72
5.2.1.4 ZAEHIGKEIT DER NITRIDBEHAFTETEN LEGIERUNGEN
..........................................
73
5.2.1.5 EINFLUSSFAKTOREN DER ZAEHIGKEIT
..............................................................
74
5.2.2
ZUGVERSUCH..................................................................................................74
5.2.2.1 EINFLUSS DER LEGIERUNGSVARIATION AUF DIE ZUGFESTIGKEIT,
STRECKGRENZE
UND
DUKTILITAET..........................................................................
79
5.3
KRAFT-EINDRINGPRUEFUNGEN..................................................................................82
5.3.1
HAERTEMESSUNGEN..........................................................................................82
5.3.2 NANOINDENTIERUNG
..................
88
5.4 CHARAKTERISIERUNG DES
VERFORMUNGSVERHALTENS.................................................96
5.4.1 NICKELHALTIGE LEGIERUNGEN FECRNI(MO,CU)N
............................................
98
5.4.1.1 NICKEL- UND MOLYBDAENHALTIGE LEGIERUNGEN FECRNIMON
.....................
98
5.4.1.2 KUPFERLEGIERTE WERKSTOFFE FECRNICU
...................................................
99
5.4.2 MANGANHALTIGE LEGIERUNGEN FECRMN
.......................................................
102
5.4.2.1 FECR5MN (1.4162) UND
FECRLOMN......................................................102
5.4.2.2 KUPFERLEGIERTE WERKSTOFFE FECRMNCU
................................................
105
5.4.2.3 AUSTENITLASTIGE LEGIERUNGEN
................................................................
107
5.4.2.4 STICKSTOFFREIE FERRITLASTIGE VARIANTEN
....................................................
108
5.4.2.5 NITRIDBEHAFTETE
VERSUCHSSTAEHLE.............................................................110
5.4.3 EINFLUSS DER LEGIERUNGSELEMENTE AUF DAS VERFORMUNGSVERHALTEN
.............
111
5.5
STROMDICHTE-POTENTIAL-MESSUNGEN..................................................................
112
5.5.1 EINFLUSS DER LEGIERUNGSELEMENTE AUF
KORROSIONSRESISTENZ.....................115
5.5.1.1
STICKSTOFF..............................................................................................
115
5.5.1.2
MOLYBDAEN.............................................................................................
117
5.5.1.3 KUPFER
.................
118
5.5.1.4 MANGAN UND
NICKEL..............................................................................
119
6
DISKUSSION.........................................................................................................
121
6.1 LEGIERUNGSKONZEPTE UND THERMODYNAMISCHE SIMULATION
...............................
121
6.1.1
ZUSTANDSDIAGRAMME...................................................................................121
6.1.2 ZWEIPHASENGEBIET UND AUSTENITENTSTEHUNG
...............................................
122
6.1.3 ERSTARRUNG UND
GEFUGEAUSBILDUNG.............................................................124
6.1.4 STICKSTOFFLOESLICHKEIT UND
NITRIDAUSSCHEIDUNG............................................126
6.2 VERFORMUNG UND
VERSPROEDUNG.........................................................................
130
6.2.1 URSACHEN DER TIEFTEMPERATURVERSPROEDUNG DER
FERRITISCH-AUSTENITISCHEN
DUPLEX-STAEHLE......................................................................................................
130
6.2.2 SPANNUNGSZUSTAND DES MISCHKRISTALLS
.......................................................
131
6.2.2.1 MISCHKRISTALLVERFESTIGUNG, BINDUNGSKRAEFTE UND E-MODUL
...................
132
6.2.2.2 TRENNFESTIGKEIT
.....................................................................................
136
6.2.3 EINFLUSS DER LEGIERUNG UND DES SPANNUNGSZUSTANDS AUF DEN
GLEITWIDERSTAND....................................................................................................138
6.2.3.1 EINFLUSS DER INTERSTITIELLEN ELEMENTE AUF DEN FLIESSBEGINN
...................
142
6.2.3.2 EINFLUSS DER SUBSTITUIERENDEN ELEMENTE AUF FLIESSBEGINN UND
VERFESTIGUNG......................................................................................................
145
6.2.4 MECHANISMEN DER
TIEFTEMPERATURVERSPROEDUNG..........................................148
6.2.4.1 VERFORMUNGSMECHANISMEN IM
FERRIT....................................................148
6.2.4.2 VERFORMUNGSMECHANISMEN IM AUSTENIT
...............................................
150
6.2.4.3 EINFLUSS DER LEGIERUNGSELEMENTE AUF DIE SFE
.....................................
154
6.2.5 EINFLUSS DER LEGIERUNG UND DER WAERMEBEHANDLUNG AUF DIE
TIEFTEMPERATURVERSPROEDUNG DER
DUPLEX-STAEHLE................................................... 156
6.3 EINFLUSS DER LEGIERUNGSELEMENTE AUF DIE KORROSIONSRESISTENZ
.......................
158
6.3.1 PASSIVITAET UND EINFLUSS VON
CHROM............................................................162
6.3.2
STICKSTOFF...................................................................................................164
6.3.3
MOLYBDAEN...................................................................................................165
6.3.4
KUPFER........................................................................................................166
6.3.5 NICKEL UND
MANGAN...................................................................................
166
7
ZUSAMMENFASSUNG................................................................................................
169
ANHANG.....................................................................................................................
175
TABELLEN....................................................................................................................
175
8
LITERATUR................................................................................................................
191
|
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