Homologe Temperatur

Als homologe Temperatur bezeichnet man das Verhältnis der tatsächlich vorliegenden Einsatztemperatur zur Schmelztemperatur in Kelvin des jeweiligen Metalls.

Werden Werkstoffe in Bauteilen eingesetzt, unterliegen sie zahlreichen Belastungen. Bei niedrigen Einsatztemperaturen sind die Festigkeiten und Verformungen zeitunabhängig. Bei höheren Einsatztemperaturen treten allerdings zusätzliche thermisch aktivierte, zeitabhängige Deformationsvorgänge auf. Dabei kann es sich z. B. um Kriechen handeln. Zur Differenzierung von niedrigen und hohen Temperaturen wird die homologe Temperatur T/T_S=0,4 herangezogen. Bei Werkstoffvorgängen unterhalb von etwa T<0,4*T_S spricht man von niedrigen Temperaturen und die jeweiligen Verformungen werden als Tieftemperaturverformung oder Kaltverformung bezeichnet. Bei Temperaturen oberhalb von etwa T>0,4*T_S spricht man von hohen Temperaturen und die jeweiligen Verformungen werden als Hochtemperaturverformung oder Warmverformung bezeichnet.

Anhand der homologen Temperatur kann eine grobe Abschätzung getätigt werden, welche Werkstoffe für den Einsatz als Hochtemperaturwerkstoffe geeignet scheinen. Aufgrund einer ausreichend hohen Langzeitkriechfestigkeit, also der Beständigkeit gegenüber Kriechen, sollte die homologe Temperatur für 500 °C einen Wert von 0,46 nicht überschreiten. Wie in der folgenden Tabelle ersichtlich ist, sind somit Metalle mit einem Schmelzpunkt kleiner ca. 1.400 °C nicht als Hochtemperaturwerkstoffe einsetzbar.

Zur Beurteilung welche Werkstoffe als Hochtemperaturwerkstoffe eingesetzt werden können, ist die homologe Temperatur alleine allerdings nicht ausreichend. Besonders die Beständigkeit hinsichtlich Hochtemperaturkorrosion, die Legierungsmöglichkeit und die Verfügbarkeit der Metalle muss berücksichtigt werden.

Obwohl die Schmelzpunkte der reinen Metalle Nickel, Cobalt und Eisen im Vergleich zu anderen Elementen in der Tabelle relativ niedrig liegen, lassen sich deren Eigenschaften durch Legieren sehr positiv verbessern. Somit sind diese Metalle die am häufigsten verwendeten Hochtemperaturwerkstoffe, auch wenn ihre homologe Temperatur bei 500 °C nur knapp unterhalb des geforderten Maximalwertes von 0,46 liegt. zum Einsatz kommen sie in Form von Legierungen als Nickelbasislegierungen, Nickelaluminide, Cobaltbasislegierungen und Eisenbasislegierungen. Eisenbasislegierungen sind Stahlwerkstoffe, die abhängig von ihrer Temperaturbeständigkeit als warmfester Stahl, hochwarmfester Stahl und hitzebeständiger Stahl bezeichnet werden.

Titan und Titanlegierungen weisen nur eine geringe Beständigkeit gegenüber Oxidation auf und können nur bis etwa 500 °C eingesetzt werden. Daher werden sie auch nicht zu den Hochtemperaturwerkstoffen gezählt.

Platin ist für einen Einsatz als Hochtemperaturwerkstoff zu teuer. Zirkonium, Vanadium und Hafnium besitzen nur eine geringe Beständigkeit gegenüber Oxidation und sind schwer legierbar. Daher kommen diese Metalle nicht alsHochtemperaturwerkstoffe zur Anwendung. Chrom ist sehr spröde und besitzt eine schlechte Verarbeitbarkeit, weshalb es als Reinelement ebenfalls nicht als Hochtemperaturwerkstoff eingesetzt wird.

Die vier Refraktärmetalle, Niob, Molybdän, Tantal und Wolfram, wären aufgrund ihrer hohen Schmelzpunkte und ihrer Langzeitkriechfestigkeit am besten als Hochtemperaturwerkstoffe geeignet, allerdings neigen diese Werkstoffe bei hohen Temperaturen zur starken Oxidation. Daher sind diese langzeitig nur in nahezu sauerstofffreien Atmosphären einsetzbar.

In dem Bestreben die Energieeffizienz in der Energietechnik und der Antriebstechnik zu erhöhen, werden die Arbeitstemperaturen von Motoren und Turbinen gezielt erhöht, um somit den Wirkungsgrad zu steigern. Um diesen erhöhten Werkstoffanforderungen gerecht zu werden, ist die Entwicklung neuer Hochtemperaturwerkstoffe unumgänglich.

Englische Übersetzung(en):

homologous temperature