Niedriglegierte Warmfeste Staehle Neu Mit Schweissen

Ingenieurgemeinschaft

Meyer & Horn-Samodelkin GbR Niedriglegierte warmfeste Stähle 1

Warmfeste Stähle

1) Historie

2) Grundlagen (Eigenschaften, Kriechen)

3) Werkstoffprüfung bei erhöhter Temperatur

4) warmfeste Stahlsorten

5) Schweißen



1. Historie

- 1920: unlegierte Werkstoffe mit Rm von 340-500 MPa für Kessel mit geringen Betriebsdrücken

- 1930: Entwicklung erster warmfester Stähle für Kessel mit höheren Betriebsdrücken und Einsatztemperaturen von450-500°C

- heute: Dampfeintrittstemperatur bei 650°C, hohe Betriebsdrückebesondere Ü-Vorschriften, wegen hohem Gefährdungspotential



Bild 1:Legierungsentwicklung für den warmfesten Einsatzbereich



2. Eigenschaften

- Warmfeste Stähle haben ausgewiesene Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen (bis 600° C) bei langzeitiger Beanspruchung

- Anforderungen: • Warmfestigkeit• Ausreichende Beständigkeit gegen

Korrosion/Verzunderung• Ausreichende Zähigkeitsreserven

(Phasenausscheidungen bei hohen Temperaturen möglich)

• Gute Verarbeitbarkeit• Schweißeignung

2.1.Theoretische Grundlagen



2. Eigenschaften

- Eine mechanische Beanspruchung bei höheren Temperaturen führt zum „Kriechen“ des Werkstoffes (ab ca. 1/3 der Schmelztemperatur)

- eine Kaltverformung verzögert das Einsetzen des Festigkeitsabfalls mit zunehmender Temperatur


Welche Bedeutung hat die TR ?



2.1.Theoretische GrundlagenKaltverfestigung bei T << TR



Bild 2:Abhängigkeit der Härte eines weichen Stahls von der Glühtemperatur nach dem Zugdruckumformen ohne Anwärmen mit etwa 60% Verformungsgrad




2.2. WarmstreckgrenzeBild 3:Spannungs - Dehnungs-Diagramm von unlegiertemStahl S235 bei zunehmender Prüftemperatur

- Gegenüber RT geht der Streckgrenzeneffekt verloren. Von der Hooke‘schen Gerade an ergibt sich ein kontinuierlicher Übergang in den Fließbereich.

- Zunächst Re-Abfall und Rm-Anstieg, ab ca. 350 °C fallen beide Kenngrößen- Mit Zunahme der Temperatur werden Diffusions- und

Versetzungsbewegungen erleichtert.- A und Z steigen i.a. (Ausnahme: nächstes Bild).



Bild 4: mechanisch-technologische Kennwerte i.A. von der Anlasstemperatur für einen Werkstoff mit Ausscheidungsbildung imfesten Zustand

2.2. Warmstreckgrenze



Bild 5: Plastische Verformung durch Versetzungsbewegung

a) Unverformter Gitterausschnitt mit Versetzung ⊥b) Verformung durch Schubspannungc) Verschiebung der Versetzung ⊥ um einen Atomabstandd), e) durchgelaufene Versetzung hat an der Oberfläche zu einer

Stufenbildung geführt

2.3. Verformung – theoretische Grundlagen der KV



Bild 7:Klettern einer Stufenversetzung durch Anlagern einer Leerstelle

Bild 6:




Bild 8:Möglichkeiten für das Ausheilen und Umlagern von Gitterdefekten




Bild 9:Mikrogefüge kaltverformter Werkstoffe (schematische Darstellung)




2.4. Zeitabhängige Verformung bei erhöhten Kriechtemperaturen

Kriechen ist:

• ein irreversibler Verformungsvorgang mit deutlicher Zeitabhängigkeit bei konstanter Belastung und Temperatur

• es kann zu Verformungen bis hin zu Brüchen kommen

• ein temperaturabhängiger Vorgang, der sich durch folgende Charakteristika auszeichnet:

- Versetzungsbewegungen- Thermisch aktiviertes Klettern von Versetzungen und - Abgleiten von Korngrenzen (nur bei sehr hohen Temperaturen)




Eine Erhöhung des Kriechwiderstandes kann durch alle Maßnahmen, die den Abbau von Versetzungsaufstauungen und das Korngrenzengleiten verhindern bzw. verzögern (Mischkristallverfestigung, Erhöhung der Rekristallisationstemperatur, Ausscheidungshärtung), erreicht werden.

Eine weitere Möglichkeit besteht in dem Herstellen von „Idealkristallen“



Bild 10: Dehnungsdefinition bei Zeitbeanspruchung.



Bereich I: Übergangskriechen / logarithmisches Kriechen

- differenzierte Vorgänge vonunterschiedlicher Bedeutung

- Vorgänge der Kristallerholung dominierend

Bereich II: stationäres / sekundäres Kriechen

- größte praktische Bedeutung- Gleichgewicht zwischen Ver- und

Entfestigung (Versetzungsbildung und Versetzungslöschung)

- Vorgang des Kletterns überwiegend → Hindernisse können umgangen

werdenBereich III: tertiäres Kriechen- Leerstellenbildung und Korngrenzen-deformation dominiert

- nicht technisch nutzbar- Porenbildung an KG

Bild 11: KriechkurvenBereich I/II: transkristalliner BruchBereich III: interkristalliner Bruch



Bild 12/13: Kriechdehnung und Kriechgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit



Ein Kriechbruch ist immer:

- werkstoffabhängig - temperaturabhängig- lastabhängig - zeitabhängig

Bruchverhalten:

- Bei geringer Kriechtemperatur, hoher Beanspruchungsgeschwindigkeit und kurzen Standzeiten treten häufig transkristalline Wabenbrüche auf.

- Bei hoher Kriechtemperatur, geringer Beanspruchungsgeschwingikeit und langen Standzeiten treten häufig interkristalline Wabenbrüche auf.

- Die Temperaturbereiche zwischen diesen beiden Brucharten werden durch die sogenannte Äquikohäsivtemperatur abgegrenzt (s. Bild 14).



Auf den Bruchflächen von Hochtemperaturbrüchen finden sich häufig niedrigschmelzende Phasen (FeS, NiS, V2O5).

Hochtemperaturbrüche sind meist durch Poren initiiert:

- Keilporen werden meist bei geringer Temperatur, höherer Belastung und nach kurzer Zeit gebildet.

- Kavernenporen werden meist bei hohen Beanspruchungstemperaturen, geringer Belastung und nach langer Standzeit gebildet (s.a. Bild 15).

- Beide Porenarten können durch Zusammenwachsen zum Bruch führen!



Bild 14:Schematische Darstellung des Bruchverhaltens



Bild 15: Ausbildung interkristalliner Risse unter Kriechbedingungen bei höheren Temperaturen:

a) Risse an Schnittpunkten mehrerer Korngrenzen (Keilporen)

b) Bildung von Poren auf Korngrenzen senkrecht zur Zugrichtung (Kavernenporen)



Bild 16: Stahl mit 17% Cr und 14% Ni, bei 650° C 3383 h (141 d) und 80 MPa gestanden



Bild 12a: Schematische Einteilung zeitstandbeanspruchter Gefüge in Gefügeklassen




3. Werkstoffprüfung bei erhöhten Temperaturen

3.1. Warmzugversuche (Kurzzeitversuche)Der Warmzugversuch dient der Ermittlung der Warmstreckgrenze R p0.2/ϑim Zugversuch bei erhöhten Temperaturen (die Temperatur wird von RT aus eingestellt !). Es ist üblich, ihn bis ca.300°C anzuwenden.



3.2. Zeitstand- und Zeitdehnversuche (Langzeitversuche)Es erfolgt eine Belastung der Zugprobe über einen bestimmten Zeitraum bei konstanter, erhöhter Temperatur (meist > 300°C) bis zum Bruch oder bis zum Erreichen einer definierten Dehnung (z.B. 1% bleibende Dehnung) innerhalb einer definierten Versuchsdauer.

Der Zeitstandversuch dient der Ermittlung der bis zum Erreichen bestimmter plastischer Dehnungen (bzw. bis zum Bruch) vergangenen Belastung.

Welchen analogen Langzeitversuch kennen Sie für die dynamische Werkstoffuntersuchung bei RT ?



Zeitstandfestigkeit:Prüfspannung, die bei bestimmter Prüftemperatur nach einer bestimmten

Beanspruchungsdauer zum Bruch führt.

Zeitdehngrenze:Prüfspannung, die bei bestimmter Prüftemperatur nach einer bestimmten

Beanspruchungsdauer zu einer festgelegten plastischen Dehnung führt.



Bild 17: Zeitbruchschaubild mit Zeitdehngrenzlinien und Zeitstandfestigkeit (105=11 a)



Bild 18:Zeitstandversuch -Zeitdehnschaubild gilt für T = const. (nach kurzer Zeit sind bei hohen Spannungen hohe Kriechbeträge zu verzeichnen, mit sinkender Belastung verschieben sich die Zeitdehnkurven nach

rechts und unten zu längeren Zeiten und geringeren Kriechbeträgen)

Beanspruchungsdauer in h



Bild 19: Zeitdehnversuch -Zeitdehnschaubild Achtung! Doppelt logarithmische Darstellung!

3.3. Zeitschwingversuche bei erhöhten Temperaturen:Im Temperaturbereich des Kriechens existiert keine Dauerfestigkeit wie bei RT!



4. Warmfeste Stahlsorten

Bild 20: Temperaturabhängigkeit der Streckgrenze für 2 ausgewählte Stähle



- Die mechanischen Eigenschaften der Stähle werden beeinflusst durch den Legierungsaufbau, die Stahlherstellung und den Wärmebehandlungszustand.

- Eine bessere Warmfestigkeit erreicht man durch:a) Legieren mit Mo und Cr:

- bilden MK, die das Gitter verspannen (MK-Verfestigung, Mo allein nur bis ca. 0,3% mgl.)

- haben höhere Temperatur zur Selbstdiffusion als Fe.

b) Zusätzlich: Legieren mit V, Nb, Ti (Teilchenverfestigung)

4.1. Legierungswirkung



Eine Beeinflussung des Kriechverhaltens (Verringerung des Kriechens) erreicht man durch:

Alle Maßnahmen, die den Versetzungsabbau und das Korngrenzengleiten verhindern, wie:- Verwendung von Stählen mit geringen Gehalten an unerwünschten

Begleitelementen (%S niedrig - Sulfidproblematik)

- Normalglühen zur Einstellung eines homogenen, feinen Korns (KG als Gleitwiderstand)

- Erschweren der Versetzungsbewegung durch Gitterverspannungen (Bildung von Substitutions-MK durch Legieren mit Mn, Mo – untersch. Atomradien)

- Behinderung des Kriechens durch Bildung fein verteilter Ausscheidungen auf den Gleitebenen (Legieren mit Karbidbildnern wie Mo, Cr, V, W)

- Übergehen von krz zum kfz Gitter (Legieren mit Cr + Ni, höhere rekr.-T des kfz.Kristalls)



Bild 21: Niedriglegierter Mn-Mo-Stahl 1050°C/45min/OfenabkühlungV=100:1hell: schwach geseigerte Bereiche mit langgestreckten

MnS-Einschlüssendunkel: stark geseigerte Bereiche



Bild 21/22:Stahl mit 0,13%C; 0,3%Si; 0,5%Mn; 1,2%Cr und 4,2%NiV=500:1links: feinkörniger Martensitrechts: grobkörniger Martensit

Verursacht durch das Abschrecken von höheren Temperaturen.



4.2. Einteilung der warmfesten Stähle:- ferr./perl. Stähle z.B. 16 Mo 3 nach DIN EN 10216 T. 2 v. 08/2002

(Nahtlose Stahlrohre für Druckbeanspruchungen –Technische Lieferbedingungen, Teil 2: Rohre aus unlegierten und legierten Stählen mit festgelegten Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen),

P275 NH nach DIN EN 10028 T. 3 v. 09/2003(Flacherzeugnisse aus Druckbehälterstählen, Teil 3: Schweißgeeignete Feinkornbaustähle, normalgeglüht),

- ferr./martens. Stähle z.B. X 20 CrMoV 11-1 nach DIN EN 10216 T. 2 v. 08/2002- austentitische Stähle z.B. X 8 CrNiNb 16-13 nach DIN EN 10302 Norm Entwurf 10/2005

(Warmfeste Stähle, Nickel- und Cobaltlegierungen)

4.3. Einsatz-Temperaturbereiche für warmfeste Stähle:a) unlegierte bis ca. 350°C (FK bis ca. 400° C)b) legierte bis ca. 600° Cc) austenitische > 600° C



Tabelle 1: Niedriglegierte warmfeste Stähle – ungültige Normung



Kesselbleche EN 10028-2 P235GH...P355GHRohrstähle EN 10216-2, P195GH...P265GH

Warmfeste Stähle EN 10028-2,3 P275NH...P460NH(Flacherzeugnisse aus Druckbehälterstählen, Teil 2: Unlegierte und legierte Stähle mit festgelegten Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen) 09/2003 + Berichtigung1 08/2006,

EN 10216-2 P195GH...P265GH

Einsatzbereich: bis ca. 350°CWarmfest durch: Qualitätsstahl (begrenzter P-, S-Gehalt)

Normalglühung

4.4. Stahlbeispiele 4.4.1.Unlegierte warmfeste Stähle



+A f+N 890 a+NT bis oder 930 a,o,w+QT

+N 890 abis950

+QT 890 o,wbis960

50 3423 21

440 bis 570

420 bis 550

295285275265250

tR ≤ 3535 < tR ≤ 7070 < tR ≤ 100

100 < tR ≤ 250250< tR ≤ 500

0,25 bis

0,350,0150,025

0,40 bis

0,900,35

0,12 bis

0,201.541516Mo3

32 2725 23410

bis 530

245

220

tR ≤ 35

35 < tR ≤ 160-0,0150,025

0,50 bis

1,300,40

0,08 bis

0,201.0352P245GH

l tr/tl tr/t

N/mm²N/mm²

min.mm

Werkstoff-

num-mer

Kurzname

Wärmebehandlung

Sym- Austenti-bol sieren

oder Lösungs-glühen

T Abküh-°C lung

Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur

Dicke des Streck- Zug- Bruch-Kerbschlag-maßgeblichen grenze festigkeit dehnung arbeitQuerschnitts min. (V-Kerb)

Chemische Zusammensetzung (Schmelzanalyse), %

C Si Mn P S Mo max. max. max.

Stahlbezeichnung

Tabelle 2: Chemische Zusammensetzung, mechanische Eigenschaften und Wärmebehandlung



Tabelle 3: Zeitstandfestigkeit gemäß DIN EN 10222-2

136152169186201-------200000

152170188205221-------100000

219241264286306-------10 000

1.738311CrMo9-10

139167195226260-------200000

163190220251285-------100000

273304328348370-------10 000

1.733513CrMo4-5

96121153189228-------200000

117143174209245-------100000

196222247273298-------10 000

1.541516Mo3

-33404857677889101115129145200000

-425059697991103118132148165100000

-758610011312714215817419121122910 000

1.0352P245GH

490°C480°C470°C460°C450°C440°C430°C420°C410°C400°C390°C380°CWerk-stoff-num-mer

Kurz-name

Geschätzte mittlere Bruchspannung in N/mm² bei einer Temperatur vonStand-zeit bis

zum Bruch

Stahlsorte



Kesselbleche EN 10028-2 16Mo3, 13 CrMo4-5, 10CrMo9-10

Rohrstähle EN 10216-3 16Mo3(Nahtlose Rohre für Druckbeanspruchungen – Technische Lieferbedingungen, Teil 3: Rohre

aus legierten Feinkornbaustählen) 09/2003 + Berichtigung1 07/2004,EN 10216-2 10CrMo9-10, 25CrMo4

Warmfeste Schmiedestähle EN 10222-2 13CrMo4-5, 15MnMoV4-5EN 10222-4 P285NH, P285QH...

Stähle für Befestigungen EN 10269 C35E, 20Mn5, 42CrMo4

Einsatzbereich: bis ca. 600°CWarmfest durch: MK-Verfestigung durch Mn, Mo

Feinausscheidungen

4.4.2. Niedrig legierte warmfeste Stähle



Relaxationsversprödung: Langzeitversprödung durch Langzeittemperatureinfluss oder falsche Wärmebehandlung.

Besonderheiten: Bei einigen Stählen Cr-Zugabe zur Verbesserung desZunderverhaltens. Bei hohen

Einsatztemperaturen neigen Feinausscheidungen zur Koagulation,

verringern so die Warmfestigkeit und verspröden den Werkstoff (Bsp.: Ausscheidungen von

Korngrenzenkarbiden).



Relaxationsversprödung:

Werkstoffe lt. Tab. 4 GSI-Unterlagen



Tabelle 4: Mindestwerte der 0,2%- Dehngrenze Rp0,2 bei erhöhten Temperaturen gemäß EN 10222-2.

150155165175185200210225240150 < tR ≤ 375

145150160165175190200210220375 < tR ≤ 500

15516517518520021022023525090 < tR ≤ 150

125130135140145165180200220375 < tR ≤ 500

130135140145150175190210235150 < tR ≤ 375

13514014515516018520022024090 < tR ≤ 150

155165175185200210215230245200 < tR ≤ 500

175185195205220230235250265tR ≤ 2001.7383

11CrMo9-10

16517018019020522023024025060 < tR ≤ 90

175180190200215230240245260tR ≤ 60

1.733513CrMo

4-5

14014515016017019521023025060 < tR ≤ 90

150155160170180205225245264tR ≤ 60

1.541516Mo3

--120130135155165175180≥ 50 < tR ≤ 160

--125135145160175185195tR ≤ 501.0352P245GH

500°C450°C400°C350°C300°C250°C200°C150°C100°CWerkstoff-nummer

Kurz-name

Rp0,2min. in N/mm²bei einer Temperatur vonDicke des maßgeblichen

Qerschnitts oder gleichwertige Dicke

mm

Stahlsorte



Tabelle 5: 1%- Zeitdehngrenze gemäß EN 10222-2



Tabelle 6: Mindestwerte der 0,2%- Dehngrenze bei erhöhten Temperaturen gemäß DIN EN 10269.



Tabelle 7:Werte der 1%-Zeitdehngrenze und derZeitstandfestigkeit gemäß DIN EN 10269



Tabelle 8:fortgesetzt gemäß DIN EN 10269



4.4.3. Austenitische und martensitische warmfeste StähleMartensitische Rohrstähle EN 10269 X 22 CrMoWV 12-1,

X 19 CrMoNbVN 11-1Austenitische Stähle EN 10269 X 6 CrNi 18-10,

X 3 CrNiMoBN 17-13-3

Einsatzbereich: bis 750°CWarmfest durch: MK-Verfestigung

Feinausscheidungen, B<= 0,01 % kriechhemmendkfz-Gitter



Tabelle 9: Warmdehngrenze aus EN 10269



Tabelle 10:Zeitdehngrenze und Zeitstandfestigkeit aus DIN EN 10269



Tabelle 11:Fortsetzung von Tab. 10



Bild 23:ZTU-Schaubild Stahl X 20 CrMoWV 11-1 für isotherme Behandlung (nach Kauhausen)

Schweißen, GSI-Unterlagen S. 13



Bild 24:ZTU SchaubildStahl X 20 CrMoV11-1

für kontinuierliche Abkühlung (nach Theis)



Bild 25: ZTU-Schaubild Stahl 14 MoV 6 für kontinuierliche Abkühlung (nach Baerlecken und Lorenz)



Bild 26: ZTU-Schaubild Stahl X20Cr13



Bild 27: mech./technol. Eigenschaften Stahl X20Cr13



Bild 28-30:Gefüge Stahl X20Cr13



4.5. Besondere Effekte und Beispiele4.5.1. Versprödungserscheinungen warmfester StähleBei warmfesten Stählen treten häufig Langzeitversprödungen im Temperaturbereich zwischen 350° C...590° C (Verschlechterung derZähigkeit) auf.

Dies ist verursacht durch Anreicherung der Elemente P, Sb, Sn und As an den Korngrenzen.

Damit erfolgt auch eine Verschiebung der Übergangstemperatur zu höheren Temperaturen.

Eine Anlassversprödung – 475° C-Versprödung – tritt beim langzeitigen Glühen halbferritischer oder ferritischer Chromstähle zwischen 400° C und 550° C auf. Die Versprödung wird durch Kaltverformung beschleunigt.



Bild 31:Gleichgewichtsschaubild Fe - Cr



Bild 32: Einfluss der Anlasstemperatur und der Anlasszeitauf die Ausscheidung von spröden Phasen

Durch Glühen oberhalb von 600°C bzw. 1000°C können diese Erscheinungen rückgängig gemacht werden.



Vorwärmen:

Die Vorwärmtemperaturen sind abhängig von:- Werkstoff- Schweißverfahren- Werkstückdicke- Schweißstoßart

Im Vergleich zu den schweißgeeigneten allgemeinen Baustählen neigen warmfeste Stähle zur Aufhärtung.

Um Aufhärten durch das Schweißen zu vermeiden, muss das Werkstück zum Heften und zum Schweißen vorgewärmt, die Vorwärmtemperatur während der gesamten Schweißzeit eingehalten und das Werkstück nach dem Schweißen langsam abgekühlt werden.

5) Schweißen



5.1. ferritische perlitische Stähle (z.B. 17Mn4 normalgeglüht)

→ Gefahr der ↑ HV in WEZ ⇒ langsame Abkühlung gewährleisten

= f (Wanddicke, Werkstoff, Prozess, Stoßart)z.B. durch Vorwärmenz.B. Spannungsarmglühen bei dickwandigen Bauteilen (Achtung!

Ausscheidungen → Empf. der Werkstoffhersteller beachten!)



4.3. Martensitische und austenitische Stähle- martensitische Stähle möglichst nicht Schweißen, s. VL hl - Stähle- Austenitische Stähle, s. VL hl - Stähle

4.2. bainitische – ferritische Stähle (WB: V, höherer Legierungsgrad, z.T. Lufthärter)

z.B. 13CrMo4-5- C ↓ , Legierungselemente Cr, Mo, V, ...- sehr umwandlungsträge bei langsamer Abkühlung, umwandlungsfreie

Bereiche, Lufthärter :- → Nebennahtrisse können während des Schweißens

→ Spannungsrisse können nach dem Schweißen entstehen - Empfehlung: - Vorwärmen

- Begrenzung der Arbeits- und Zwischenlagentemperatur (450°-500°C)- Einschränkung der Streckenenergie- Spannungsarmglühen nach Schweißen (...600° C) zur

Optimierung der Feinstausscheidungen bei gleichzeitigem M-Zerfall



Tabelle 12: Einige Angaben zu Vorwärmtemperaturen



Bild 33:Vickershärte in der WEZ,nach dem Schweißenwarmfester Chrom-Molybdänstähle (nach Kauhausen,Kaesmacher und Sadowski);

a) nach Anlassglühenb) im geschweißten

Zustand



Tabelle 13: Legierungsgrenzen für warmfeste und hochwarmfeste Stähle und Legierungen

bis 15bis 8bis 5bis 5bis 3bis 0,5W

--bis 3bis 1bis 0,5bis 0,8V

bis 4bis 2bis 4 bis 3--Ti

bis 4bis 2bis 4bis 4bis 0,5-Nb/´Ta

--bis 0,2bis 0,35bis 0,1-N2

bis 6bis 10bis 6bis 6bis 3bis 1,2Mo

--bis 3bis 3bis 2-Cu

bis 1bis 0,5bis 1bis 0,1-bis 0,01B

-bis 6bis 3bis 1,5--Al

bis 0,7bis 0,2bis 0,5bis 0,70,1...0,40,1...0,4C

bis 8bis 5bis 50Unter 50RestRestFe

bis 2540...8015...358...35bis 2 bis 1Ni

bis 1bis 1bis 1,5bis 18bis 1,5bis 1,5Mn

10...25bis 2012...2012...2510...15bis 3Cr

45...65bis 2010...45bis 10bis 2-Co

Kobaltlegierungen

Nickellegierungen

Co-Cr-Ni-Fe-Legierungen

AustenitischeStähle

Nichtaustenitische Chromstähle

Warmfeste Stähle

Legierungs-elemente [%]

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