Zeitstandfestigkeit

Die Zeitstandfestigkeit ist ein Kennwert aus der Werkstofftechnik. Sie beschreibt jene mechanische Spannung, bei der ein Werkstoff bei einer bestimmten Temperatur und nach einer bestimmten Beanspruchungszeit versagt.

Die Zeitstandfestigkeit ist somit ein Maß für den Widerstand eines Werkstoffes gegenüber einer statischen Belastung bei hohen Temperaturen. Somit darf die Zeitstandfestigkeit allerding nicht mit der Zeitfestigkeit verwechselt werden, welche anhand der Wöhlerlinie bestimmt wird und das Verhalten von Werkstoffen unter dynamischer Belastung beschreibt.

Werden Werkstoffe bei erhöhten Temperaturen eingesetzt, so kommt es zu zeitabhängigen Veränderungen der Werkstoffeigenschaften, die als Kriechen bezeichnet werden. Bei metallischen Werkstoffen muss beispielsweise mit Kriechdehnungen im technisch bedeutsamen Ausmaß gerechnet werden, wenn die homologe Temperatur höher als 0,4 ist. So kommt der Zeitstandfestigkeit besonders bei der Dimensionierung von Hochtemperaturwerkstoffen eine erhebliche Bedeutung zu, da eine Überschreitung der Zeitstandfestigkeit zu einem Versagen der Bauteile führen würde.

Die Ermittlung der Zeitstandfestigkeit erfolgt im sogenannten Zeitstandversuch. Dabei werden Werkstoffe bei konstanter Temperatur unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt und die Zeit bis zum Versagen der Proben gemessen. Die Versuche werden für unterschiedliche Kombinationen von Temperatur und Spannung durchgeführt, wobei für jede Probe eine Kriechkurve ermittelt wird. Wegen dem hohen Aufwand kann allerdings keine beliebig hohe Anzahl von unterschiedlichen Spannungen untersucht werden. Zusätzlich werden die Proben auch nicht nach einer exakt vorgegebenen Zeit brechen, weshalb die Zeitstandfestigkeit durch Interpolation der Daten bestimmt wird. Soll beispielsweise die Zeitstandfestigkeit bei einer Temperatur von 500 °C und 10.000 Stunden bestimmte werden, so erfolgt die Prüfung bei dieser Temperatur für unterschiedliche Belastungen. Dabei werden die zu erwartenden Belastungen abgeschätzt, welche zu einem Versagen der Probe führen werden. Die Prüfung der Proben erfolgt nun mit höheren und niedrigeren Belastungen bei 500 °C. Im Anschluss erfolgt eine Interpolation auf die mechanische Spannung bei 10.000 Stunden und der ermittelte Spannungswert gibt die Zeitstandfestigkeit an.

Ebenso wie die Ermittlung der Zeitstandfestigkeit erfolgt auch die Bestimmung der sogenannten Zeitdehngrenze im Zeitstandversuch. Dabei ist die Zeitdehngrenze definiert als jene mechanische Spannung, die bei einer vorgegebenen Temperatur und Belastungsdauer eine bestimmte bleibende Dehnung im Werkstoff hervorruft. Häufig werden hierbei Dehnungen von 0,2 Prozent oder 1 Prozent definiert.

Mit dem Ziel, den Schadstoffausstoß von Kraftwerken zu reduzieren, kommt der Steigerung des Wirkungsgrades der Anlagen eine immer höhere Bedeutung zu. Dies kann neben einer Verbesserung des Designs der Gasturbinen oder Dampfturbinen auch durch die Erhöhung der Prozesstemperaturen erreicht werden. Die höheren Einsatztemperaturen führen allerdings zu einer Reduzierung der Zeitstandfestigkeit und somit zu einer höheren Gefahr des Werkstoffversagens. Daher muss dies bei der Wahl der Hochtemperaturwerkstoffe berücksichtigt werden.

Englische Übersetzung(en):

creep rupture strength