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Main Title: Effect of Temperature and Environment on the Deformation Mechanisms of Austenitic Steels during Cryogenic Wear
Translated Title: Einfluß der Temperatur und der Umgebungsbedingungen auf die Verformungsmechanismen austenitischer Stähle bei Kryo-Verschleiß
Author(s): Pinto, Haroldo
Advisor(s): Pyzalla, Anke
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Tieftemperatur-Technologie findet Anwendung in der Raumfahrttechnik und in der Supraleitung. Kryogene Temperaturen treten z.B. in supraleitenden Magneten und Kernspintomographen auf, wo flüssiges Helium (LHe) als Kühlmittel eingesetzt wird, und in der Raketentechnik, wo sich flüssiger Wasserstoff (LH2) als Standardtreibstoff bewährte. Wasserstoff stellt eine wichtige Alternative zu fossilen Brennstoffen dar. Bei kryogenen Temperaturen von etwa 20 K ermöglicht die flüssige Form, große Wasserstoffmengen in einem kleinen Volumen speichern zu können. In beweglichen Maschinenkomponenten beeinflussen sowohl tiefe Temperaturen als auch die Anwesenheit von Wasserstoff die Verformungsmechanismen und dementsprechend das Versagen von Bauteilen. Austenitische rostfreie Stähle werden in der Kryotechnik als Standardwerkstoffe eingesetzt. In tiefkalten Medien verfügen diese Stähle noch über eine gute mechanische Festigkeit mit ausreichender Duktilität. Hohe mechanische Belastungen bei extrem tiefen Temperaturen können jedoch zur martensitischen Umwandlung führen. Die Martensitbildung innerhalb der verschlissenen Oberfläche erhöht die Festigkeit, führt aber zur Versprödung. Dies kann den Schädigungsmechanismus von in tiefkalten Medien eingesetzten Bauteilen beeinflussen und stört den Supraleitungseffekt infolge seines ferromagnetischen Verhaltens. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des Einflusses von Temperatur, Umgebung und Belastung auf die martensitische Umwandlung und die Werkstoffschädigung von austenitischen rostfreien Stähle bei Kryoverschleiß. Untersuchungen mittels Röntgendiffraktion und Mikroskopie wurden an Proben, die bei Raumtemperatur und verschiedenen Luftfeuchten, bei 77 K im flüssigen Stickstoff, bei 20 K im flüssigen Wasserstoff und 4.2 K im flüssigen Helium verschlissen wurden, durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die martensitische Umwandlung in austenitischen Stähle durch erhöhte Ni- und Mn-Gehalte unterdrücken lässt. Sinkende Temperaturen verändern die Verformungsmechanismen und führen zur Versprödung in LH2. Die wasserstoffinduzierte Rissbildung hängt von der Legierungszusammensetzung ab und beeinflusst den Verschleißwiderstand der austenitischen Stähle nicht.
The low temperature technology comprises developments in the space technology and applications of superconductivity. Cryogenic temperatures are encountered e.g. in superconducting magnets and magnetic resonance tomographs, where liquid helium (LHe) is employed as cooling agent, and in the aerospace technology, where liquid hydrogen (LH2) became the standard propellant. Hydrogen represents an important alternative to fossil fuels. The liquefied form, at cryogenic temperatures of about 20K, is particularly attractive due to the possibility of stocking a large quantity of hydrogen within a small volume. In moving machine parts cryogenic temperatures and the presence of hydrogen strongly affect the deformation mechanisms and subsequently component failure. Austenitic stainless steels are materials commonly used in cryotechnology. At extremely low temperatures these steels still exhibit good mechanical properties along with sufficient ductility. However, high mechanical loads combined with low temperatures may induce martensitic transfomation. The formation of martensite within the worn surface enhances strength but also causes embrittlement. This could influence the degradation process of cryogenic machine components and disturbs the superconductive effect due to its ferromagnetism. The aim of the present work was the investigation of the influence of temperature, environment and loading conditions on the martensitic transformation and the microstructural deterioration of austenitic stainless steels during cryogenic wear. X-ray diffraction and microscopy studies were carried out on samples worn at room temperature in air with different humidities, at 77 K in LN2, at 20 K in LH2 and at 4.2 K in LHe. Results show that martensitic transformation in austenitic steels can be supressed by increased Ni-contents or its replacement by Mn. It can be shown that strain induced Ą-martensite does not cause a loss of wear resistance at cryogenic temperatures. A decrease of temperature causes changes in the deformation mechanisms and results in embrittlement in liquid hydrogen. The amount of hydrogen induced surface cracks depends on the alloy composition and is not necessarily correlated to the wear resistance of the austenitic steels.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-10693
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1502
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1205
Exam Date: 9-Jun-2005
Issue Date: 12-Oct-2005
Date Available: 12-Oct-2005
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Austenitische Stähle
Kryo-Technologie
Martensitbildung
Stapelfehlerenergie
Verschleiß
Austenitic steel
Cryotechnology
Martensite formation
Stacking fault energy
Wear
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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