2. Stähle und ihre Eigenschaften - metallbau-hss.de

1 26. Mai 2008 2 - 12. St hle und ihre Eigenschaften Abgrenzung Stahl - Gusseisen Die Eigenschaften der Eisenwerkstoffe lassen sich durch Legierungsbildung und W r-mebehandlung in weiten Grenzen ver ndern. St ndiges und wichtigstes Begleitelement der Eisenwerkstoffe ist der Kohlenstoff. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm 26. Mai 2008 2 - 2 Die wichtigsten Kurvenz ge im Zustandsdiagramm bedeuten: Linie A-B-C-D: Liquiduslinie; Oberhalb dieser Linie liegt nur Schmelze vor. Linie A-H-I-E-C-F: Soliduslinie; Unterhalb dieser Linie liegen nur feste Kristalle vor. Zwischen Solidus- und Liquiduslinie stehen Schmelze und Kristal- le miteinander im Gleichgewicht. Eisenwerkstoffe, bei denen die Schmelze bzw. die Restsschmelze entlang der Linie E-C-F ( C) kristallisiert, werden als Gusseisen bezeichnet. Die untere Grenze des Kohlenstoffgehaltes betr gt bei Gusseisen etwa 2,06 Masse-% Kohlenstoff.

2 St hle sind Eisenwerkstoffe mit einem Kohlenstoffgehalt < 2,06 Masse-% Kohlenstoff. Im Gegensatz zum Gusseisen werden die St hle entsprechend ihres C-Gehaltes weiter unterteilt. Bei den technisch gebr uchlichen St hlen liegt die Obergrenze des Kohlen-stoffgehaltes bei ca. 1,5 Masse-%. 26. Mai 2008 2 - Stahlherstellung - im Hochofen aus Erz erschmolzenen Roheisen hat hohe Gehalte an Kohlenstoff, Phosphor und Silizium nicht walz- und schmiedbar - Weiterverarbeitung erfordert Reduzierung dieser und anderer Bestandteile, be- sonders vom C und P Frischen Entkohlung C + O CO, wobei Kohlen- monoxid gr tenteils gasf rmig entweicht Der Hochofenprozess - Es werden zwei Hauptverfahren unterschieden: Blasverfahren, Frischen durch Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr - Bessemer-Verfahren (1855): Luftfischen, nur seltene Phosphorarme Erze - Thomas-Verfahren (1878): Luftfrischen, geeignet f r Phosphorhaltige Erze - Sauerstoffblas-Verfahren: Aufblasen (LD-Verfahren) oder Durchblasen von reinem Sauerstoff 26.

3 Mai 2008 2 - 4 Herdfrischverfahren, Frischen durch Direktreduktion Sauerstoff aus dem zuge- setzten Schrott oder oxidiertem Erz - Siemens-Martin-Verfahren (1864): Roheisen + Schrott wird im Herdofen erschmolzen (Gasverbrennung) - Elektrostahl-Verfahren (1904): Schrott + st ckiges Feinerz + Roheisen (W rme durch Lichtbogen) Heutzutage werden haupts chlich das Sauerstoffblasverfahren und das Elektro- stahlverfahren verwendet. Beim Sauerstoffblasverfahren betr gt der Anteil an der Stahlproduktion ca. 70 % und liefert einen sehr reinen Stahl. Durch seine hohe Konverterkapazit t ist dieses Verfahren besonders wirtschaftlich.

4 Die Vorteile beim Elektrostahlverfahren sind der niedrige Energieverbrauch, frei von den sonst blichen Verunreinigungen, Legierungszus tze k nnen genau dosiert zugegeben werden und in Verbindung mit der Stranggu technik k nnen auch so genannte Massenst hle wirtschaftlich hergestellt werden. - Desoxidation: hoher Gehalt der Stahlschmelze an O und O-Verbindungen wird reduziert Zugabe von Si, Al und Mg ( hohe Affinit t zu O) beruhigt ver- gossener Stahl . Verzichtet man darauf, steigt gasf rmiges Kohlenmonoxid im fl ssigem Stahl auf Oberfl che brodelt unberuhigt vergossener Stahl durch Erstarren kann Kohlenmonoxid nicht vollst ndig entweichen und wird teilweise eingeschlossen Gasblasen (Seigerungen [Entmischungen]) mit erh hten Gehalten u.

5 A. an P und S negative Beeinflussung der Werkstoff- Eigenschaften (Rotbruch, Z higkeit, Erm dung). Seigerungen 26. Mai 2008 2 - Mechanische Eigenschaften bei statischer Beanspruchung - Spannungs-Dehnungskurve: genormter Zugversuch Die Werkstoffkennwerte f r den Stahl werden dem Spannungs-Dehnungs- diagramm des einachsigen Zugversuches mit dem genormten Pr fstab entnom- men. In diesem Diagramm ist die - -Linie des Baustahles S 235 (St 37) darge- stellt. Bis zur Streckgrenze (Punkt E) hat der Baustahl ein lineares Verhalten und es gilt das Hookesche Gesetz = E . Ab der Streckgrenze tritt bei Baust hlen ein ausgepr gtes Flie en bis zur plastischen Grenzdehnung ein. Im weiteren Ver- lauf steigt die Spannungs-Dehnungslinie im Verfestigungsbereich bis zur Zugfes- tigkeit (Pkt. B) an. Danach verkleinert sich der Querschnitt, bis der Bruch (Pkt.)

6 Z) des Zugstabes eintritt. Die Spannung f llt nur scheinbar ab, da diese auf den Anfangsquerschnitt bezogen wird. Spannungs-Dehnungsdiagramme .. Spannung 0AN= E I .. Biegesteifigkeit .. Dehnung 0ll = fy .. Streck- oder Flie grenze (Re) E .. Elastizit tsmodul =E fu .. Zugfestigkeit (Rm) .. elastische Dehnzahl E1= Index k .. charakteristischer Wert 26. Mai 2008 2 - 6 z. B.: S 235 S 355 fy,k = 240 mmN (t 40 mm) fy,k = 360 mmN (t 40 mm) fu,k = 360 mmN fu,k = 510 mmN Brucheinschn rung: 0B0 AAAZ = A0 .. Ausgangsquerschnittsfl che AB .. kleinste Querschnittsfl che im gebrochenem Stab f r alle Baust hle gelten folgende gemeinsame Eigenschaften - Dichte (Rechenwert) = 7,85 kg/dm - Elastizit tsmodul E = N/mm - Querdehnzahl = 0,3 lldd = d = d - d0 - Schubmodul () mmN + = Schubspannung: AF= Scherwinkel: G = - lineare W rmedehnzahl T = 10 10-6/K Bruchdehnung wird gr er bei kleiner werdenden l0/d0 l0/d0 = 5: kurzer Proportionalstab = 10: langer Proportionalstab 26.

7 Mai 2008 2 - 7 die Streckgrenze steigt an (und Form nderungsverm gen wird kleiner) bei: - zunehmender Belastungsgeschwindigkeit (bei Schlagartiger Beanspruchung tritt ein Trennbruch ohne plastische Ver- formung auf gef hrlich) - tiefere Temperaturen - Mehrachsigkeit des Spannungszustandes, z. B. Kerben Bruchformen a) Gleitbruch: In duktilen Idealkristallen nach gr erer Gleitung (Versetzungen) tritt Scherbruch unter der Wirkung der Schubspannungen ein. Bruchfl che meist fasrig b) Trennbruch: Spr der Werkstoff bricht, sobald die Normalspannung die Trennfestigkeit erreicht (z. B. Beton auf Zug). Bruchfl che mit kristallinem Aussehen c) Mischbruch: Plastisch verformbarer, z her Werkstoff schn rt sich vor dem Bruch ein (Wirkung von Schubspannungen) und zeigt einen gemischten Bruch, d.

8 H. am Au enrand einen Krater (Gleiten unter 45 ), in der Mitte eine Trennung (Normalspannungen). 26. Mai 2008 2 - 8- Z higkeit: Neben den Festigkeitseigenschaften ist f r den Einsatz eines Baustahls auch seine Spr dbruchempfindlichkeit von besonderer Bedeutung. Sie wird durch Bruchdehnung, Brucheinschn rung und die Kerbschlagz higkeit bestimmt. Spr dbruchempfindlichkeit steigt bei: mehrachsigen Spannungszust nden tiefen Temperaturen h heren Belastungsgeschwindigkeiten wachsender Kerbtiefe Kaltverformung gr eren Abmessungen 26. Mai 2008 2 - Einfluss der chemischen Zusammensetzung (Legierung) Hier werden nur die wichtigsten Begleitelemente aufgef hrt.

9 Kohlenstoff C C ist ein notwendiger Bestandteil eines jeden Stahls, steigender C-Gehalt erh ht Festigkeit und H rte und verringert Bruchdehnung und Kerbschlagz higkeit erh hte Spr dbruchneigung, schlechtere Schwei eignung. Gute Schwei barkeit bis 0,25 % C Mangan Mn Bis ca. 2 % bewirkt wachsender Mn-Gehalt eine Erh hung der Festigkeit und Streck-grenze sowie der Kerbschlagz higkeit bei nur unwesentlicher Verringerung der Bruch-dehnung Phosphor P P macht Stahl Kaltbr chig und grobk rnig, starker Abfall der Kerbschlagz higkeit, bei P > 0,06 % spr de, Schlagempfindlich, trennbruchempfindlich und zum Schwei en ungeeignet Schwefel S Bei S > 0,06 % Rotbr chigkeit (800 C) Achtung: Schwei nahtrisse! Kupfer Cu Bis 1 % Cu-Gehalt Erh hung der Festigkeit bei gleichzeitiger Verringerung des Form- nderungsverm gens.

10 Bei 0,3 % Cu + 0,5 % Ni + (0,5 .. 1 %) Cr + 0,1 % P betr chtliche Erh hung der Korrosionsbest ndigkeit. Nickel Ni, Chrom Cr Ni und Cr erh hen Festigkeit und H rte, ohne Verringerung des Form nderungs-verm gens, wirken Kornverfeinernd und verringern Korrosionsempfindlichkeit 26. Mai 2008 2 - W rmeverhalten, Brandverhalten und Brandschutz - in Abh ngigkeit vom C-Gehalt und der Temperatur kommt es sprunghaft zu Modifikationen der Kristallinen Struktur (Anordnung der Eisenatome im festen Aggregatzustand: kubisch-raumkonzentriertes Form [ -, -Ferrit], Kubischfl chen- konzentrierte Struktur [ -Austenit]). - diese Gef ge nderungen sind auch stark von der Geschwindigkeit der Abk hlung abh ngig - bei langsamer Abk hlung tritt die Naturh rte auf. Die Modifikationen der Kristall- struktur k nnen sich ausbilden - bei schneller Abk hlung (> 250 C/s) und Temperaturen < 400 C entsteht eine tetragonal raumzentriertes Gitter, nadlige Struktur (Martensit) es kommt zu einer Verspr dung H rten - f r manche Zwecke sind geh rtete St hle erw nscht Werkzeugst hle, im Bau- wesen sind sie jedoch unerw nscht gr ere H rte f hrt zu Spr dbr chen Gef hrdung der Sicherheit - durch Gl hen kann die H rte herabgesetzt und die Z higkeit erh ht werden (Anlassen!)