Auswirkungen extremer Temperaturen auf metallische Werkstoffe

Ein Meteoriteneinschlag vor 35 Millionen Jahren soll die bislang höchste Temperatur erzeugt haben, die auf der Erde je auf natürliche Weise entstanden ist. Wissenschaftler schätzen, dass bei diesem enormen Aufprall eine Temperatur von 2370 °C erreicht wurde – ungefähr halb so heiß wie die Sonnenoberfläche.

Am anderen Ende der Skala wurde mit −89,2 °C in der sowjetischen Wostok-Station in der Antarktis am 21. Juli 1983 die niedrigste natürliche Temperatur gemessen, die je an der Erdoberfläche wahrgenommen wurde.

AUF DEM WEG ZUM ABSOLUTEN NULLPUNKT

Während die auf der vorherigen Seite erwähnten Temperaturen natürlichen Ursprungs sind, erreichen die Temperaturen, denen Metalle in industriellen Anwendungen ausgesetzt sind, manchmal ebenfalls diese Bereiche, was erhebliche Herausforderungen mit sich bringt. Zum Beispiel in einem Triebwerk kann die Temperatur 900 °C erreichen, während Industrieöfen auf bis zu 1200 °C kommen. Am anderen Ende der Skala sind in der Kryotechnik Temperaturen von −196 bis −269 °C möglich. Aus dem Physikunterricht wissen wir vielleicht noch, dass dieser Wert nur knapp unter dem „absoluten Nullpunkt“ liegt, der mit −273 °C für die niedrigstmögliche Temperatur steht — nichts kann kälter werden und es bleibt keine Wärmeenergie in einem Stoff zurück.

Bei der Entwicklung von Anlagen für eine Anwendung, die entweder sehr niedrigen oder sehr hohen Temperaturen oder großen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, müssen vor allem die Auswirkungen dieser Temperaturen auf die verwendeten Metalle berücksichtigt werden. Es gibt Dutzende von Verschraubungs- und Befestigungsanwendungen, bei denen extreme Temperaturen vorherrschen.

Die Metallurgie setzt sich mit dem Verhalten verschiedener Metalle über weite Temperaturbereiche auseinander und untersucht, wie bestimmte Metalle oder Metallkombinationen mögliche negative Auswirkungen begrenzen können. Auf diese Weise lassen sich Stahl und andere Metalllegierungen auf die Anforderungen einer Anwendung mit Temperaturextremen abstimmen.

DIE HERAUSFORDERUNGEN NIEDRIGER TEMPERATUREN

Die negativen Auswirkungen niedriger Temperaturen sind vor allem der Verlust der Duktilität (plastische Verformbarkeit vor einem Bruch) und die zunehmende Versprödung des Werkstoffs, wenn die Temperatur unter die sogenannte Sprödduktil-Übergangstemperatur oder DBTT fällt.

„Ein duktiler Werkstoff verformt sich, bevor er irgendwann bricht“, erklärt Alexandre Fleurentin, Experte für Metallurgie und Wärme- und Oberflächenbehandlung sowie Gründer des französischen Unternehmens Métallo Corner. „Ein spröder Werkstoff bricht dagegen schneller, wenn eine Last seine Streckgrenze überschreitet.“

Mit sinkender Temperatur verändern viele Werkstoffe bei Erreichen der DBTT ihr Verhalten von duktil zu spröde. Natürlich hat ein Bruch viel eher negative Folgen als eine Verformung, und bei sehr niedrigen Temperaturen sind Stähle in der Regel schlagempfindlicher und können bei unvermittelter Krafteinwirkung brechen. Diese Eigenschaft ist mit der Belastbarkeit von Werkstoffen vergleichbar und wird im Rahmen des Kerbschlagversuchs beurteilt.

Auf der anderen Seite führen niedrigere Temperaturen bei einem Metall oft zu einer höheren mechanischen Festigkeit und geringeren Bruchdehnung. Um die mechanische Festigkeit zu erhalten und trotzdem einen weniger spröden Werkstoff zu erreichen, wird häufig austenitischer Edelstahl mit einem hohen Nickel- und Stickstoffgehalt bevorzugt.

HOHE TEMPERATUREN SIND NOCH KOMPLEXER

Bei extrem hohen Temperaturen kommt es sowohl zu reversiblen als auch zu dauerhaften Erscheinungen. Zu den reversiblen, die sich zurückentwickeln, wenn die Temperatur wieder auf das jeweilige Normalniveau sinkt, zählen ein vorübergehender Verlust der mechanischen Festigkeit und Veränderungen der Duktilität.

Im Hinblick auf die dauerhaften Erscheinungen können die bei erhöhten Temperaturen auftretenden Alterungs- und Wärmeprozesse zu Übervergütung führen, was eine verringerte Ermüdungsbeständigkeit nach sich zieht. Aus diesem Grund sollten die Betriebstemperaturen auch unter der Vergütungstemperatur des Stahls bleiben.

Bei Edelstahl können hohe Temperaturen zu Verlust oder Verringerung der passivierenden Schutzschicht führen, weshalb bei diesen Temperaturen Umgebungsfaktoren wie Luftfeuchtigkeit und bestimmte Elemente in der Atmosphäre berücksichtigt werden müssen. „Auch Flüssigkeiten mit indirekten Auswirkungen auf die Leistung des Metalls können beeinflussend wirken“, so Fleurentin. „Bei hohen Temperaturen verändern zum Beispiel einige Schmierstoffe wie Molybdändisulfid (MoS2) ihre Eigenschaften und verlieren vollständig ihre Schmierfähigkeit (MoS2 wird zu MoS3 = Molybdäntrisulfid), was zu Problemen führen kann.“

KRIECHEN UND RELAXATION WERDEN AUCH DURCH WÄRME AUSGELÖST

Das wichtige und oft kontraproduktive Phänomen von Kriechen und Relaxation kann auch bei hohen Temperaturen ausgelöst werden. Von Kriechen spricht man, wenn sich ein Werkstoff durch konstante mechanische Belastung langsam und dauerhaft verformt, auch wenn die Streckgrenze des Materials dabei unterschritten wird. Relaxation tritt auf, wenn der Werkstoff, auch wenn er zunächst unterhalb seiner Streckgrenze belastet wird, bei einer ständigen Belastung an Spannung verliert, indem ein Teil dieser elastischen Verformung zu plastischer Verformung wird.

Zu Kriechen oder Relaxation kommt es bei Metallen noch leichter, wenn erhöhte Temperaturen vorherrschen, noch bevor die Belastungen oder Verformungen die Streckgrenze des Werkstoffs überschreiten. Das Ausmaß der Kriech- oder Relaxationserscheinung ist abhängig von der Belastung, Temperatur und Dauer der Aussetzung. Ausgelöst werden können diese Phänomene ab etwa 200 °C bei Stahl sowie ab gerade einmal 100 °C bei einigen Leichtmetalllegierungen und Edelstählen. Für besonders anspruchsvolle Anwendungen können kriechbeständige Legierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis gewählt werden. Es sollte nicht vergessen werden, dass sich die Eigenschaften der Teile hinsichtlich Verformung und Spannungsabbau durch Kriechen und Relaxation dauerhaft verändern.

DER WÄRMEAUSDEHNUNGSKOEFFIZIENT VARIIERT ÜBER DEN TEMPERATURBEREICH

Eine weitere Folge extremer Temperaturen ist, dass sich ein Werkstoff physikalisch bedingt proportional zur Temperatur ausdehnt bzw. kontrahiert. Steigt demnach die Temperatur in einer Stahlkonstruktion, beginnen die Atome, immer mehr zu schwingen. Diese thermische Bewegung führt wiederum zu einer Erhöhung der interatomaren Abstände und damit zur Ausdehnung des Werkstoffs.

Die tatsächliche Ausdehnung bei steigender Temperatur wird als linearer Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) bezeichnet und für verschiedene Werkstoffe in der Regel bei 20 °C definiert. Meist ist sie über einen bestimmten Temperaturbereich hinweg konstant, beispielsweise von 0 bis 100 °C. Allerdings, so Fleurentin, „ist der WAK bei einem Werkstoff nicht immer über einen weiten Bereich von extremen Temperaturen konstant, weshalb er meist alle 100 °C angepasst wird“.

„Neben der Tatsache, dass der WAK selbst je nach Temperatur variieren kann, müssen auch die Materialalterung sowie Veränderungen der Werkstoffeigenschaften über die Nutzungsdauer hinweg berücksichtigt werden. Beide sind enorm wichtig für jede Art von Ausrüstung oder Schrauben- und Befestigungslösung, die extremen Temperaturen ausgesetzt wird.“