Vortrag am 7. März 2009
Prof. Dr. Bernd Köhler
Werkstofftechnologie und Qualitätsmanagment
Stahl
Innere Zusammenhänge – äußere Einflüsse Zusammenfassung:
Ausgehend vom Bindungscharakter der Metallbindung, dem Gitteraufbau und den Gitterbaufehlern werden mit Hilfe der Versetzungstheorie die Mechanismen des Verformens, der plastischen Dehnfähigkeit und des Verformungswiderstandes abgeleitet. Besondere Bedeutung erlangen dabei Hindernisse, die die Versetzungen blockieren oder in ihrer Wanderung behindern. Dabei wird jeder Gitterbaufehler zum Hindernis wie Korngrenzen, Leerstellen, Fremdatome, die größer oder kleiner als das Gitteratom sind, Fremdteilchen, also Zweitphasen, weich oder härter als das Grund- gitter, auch die Phasengrenzen zu den Zweitphasen, und selbst andere Versetzungen, wie sie in großer Zahl bei plastischer Deformation aus Versetzungsquellen entstehen, und an erster Stelle natürlich das C-Atom im Eisengitter, das auf zu engem Zwischen- gitterplatz das Eisengitter aufweitet und damit verspannt, weil die Versetzungen nur schwer an ihm vorbei können, und umso schwerer je mehr Kohlenstoff legiert wurde.
Äußere Einflüsse auf mechanisch-technologischen Eigenschaften wie durch Wärme- behandlungen oder Legierungsbildung werden am Fe-C-Diagramm und Zeit-Tempe- ratur-Umwandlungs-Schaubildern (ZTU-Schaubildern) für zwei Stähle erörtert. Begriffe wie Normalisieren, Vergüten, Direkt- oder Oberflächenhärten mit und ohne Aufkohlung werden erklärt, und die Wirkung mechanischer Beanspruchung durch Recken oder Schlag abgeleitet. Ein Blick in die neue Norm DIN EN 10025 für unlegierte Baustähle und in die DIN 17212 für randschichtgehärtete Stähle rundet das Bild ab. Schließlich wird recherchiert, dass es ungünstig wäre auf Aluminium als Abschirmung oder Fang- blech überzugehen. Im Vergleich zu Stahl benötigte man die 6-fache Wanddicke und damit etwa das doppelte Gewicht an Aluminiumblech.
Bilderläuterungen:
(1) Bindungsarten
Ionenbindung: ein Partner gibt Elektronen ab und wird zum Anion, der andere baut sie in seine äußere Elektronenhülle ein (Edelgaskonf.) und wird zum Kation.
Kation und Anion auf festen Plätzen im regelmäßigen Gitter.
Kovalente oder Atombindung: Die erforderliche Anzahl Elektronen zur Bildung der Edelgaskonfiguration nimmt ein Atom vom anderen und umgekehrt.
Metallbindung: Alle Atomkerne sitzen auf Gitterplätzen. Die Elektronen der äußeren Schalen (bei Metallen immer wenige) werden vom ganzen Gitter gemeinsam verwaltet –> Elektronenwolke
(2) Bindungsarten –
Zusammenhalt - Wirkung
Ionenbindung: Keine Verschieblichkeit der Anionen und Kationen –> sprödes Verhalten, spontane Rissbildung
Kovalente oder Atombindung: Gase wie Methan CH4, Cl2,
Metallbindung: Atomrümpfe verschieblich, elastisch und plastisch, also Verformungen in Rissspitze möglich
Rissspitze mit oder ohne mikroplastischer Verformung und damit Ausrundung und Spannungsverteilung also Spannungsreduzierung, d.h. Risse laufen sich tot, Risse werden gestoppt.
(3) Gitterbaufehler
0-dim (Punkt): Leerstelle, Fremdatom 1-dim (Linie): Versetzung
2-dim (Fläche): Korngrenze,
Phasengrenze, Zwillingsgrenze 3-dim (Raum): Fremdphase, Fremd- teilchen,
Theoretische Festigkeit um den Faktor 103 größer als die reale Festigkeit Grund: Gitterbaufehler
! Aber viele Gitterbaufehler verfestigen wieder !
(4) Gittermodelle
Bei Metallen meist kubisches oder hexagonales Gitter
k-primitiv k-flächenzentriert k-raumzentriert
Kugelmodell unübersichtlich – Stäbchenmodell macht deutlicher, wo die Atome stehen
Dichteste Kugelpackung bei kfz und bei hexagonal
Abgleiten erfolgt über
dichtest besetzte Ebene und dichtestbesetzte Richtung
Untergeordnet sind die weniger dicht besetzten Ebenen –> Bild (5)
(5) Gleitsysteme
Viele (12) bei kfz Cu, Austenit
noch mehr (12+12+24) bei krz β-Titan, allg. schwarze Stähle, also alle ferritischen Stähle, normalisiert, vergütet etc., Aluminium,
sehr wenig (3+3+6) bei hexagonal α-Titan
theoretische Festigkeit
Festigkeitsanstieg durch viele Gitter- baufehler
(6) Kornorientierung
Die Gleitsysteme allein entscheiden nicht über die Abgleitmöglichkeit.
Wichtig sind auch die Kornorientierungen
Die Körner wachsen aus der
Schmelze oder bei Rekristallisation an Keimen, aber nicht gerichtet, sondern zufällig ungerichtet.
Damit wird das Ableiten schwerer.
Nun sind z.B. Korngrenzen mit Richtungsänderungen im Wege.
(7)
Versetzungen
Wie aber kann man sich das Abgleiten vorstellen?
Die theoretische Schubspannung bei gleichzeitigem Abreißen aller Bindungs- arme zwischen zwei Ebenen ist wie bereits erwähnt um den Faktor 103 höher als die Schubspannung, bei der sich die ersten Trennungen als plastische Deformationen bemerkbar machen.
Man kann sich das plastische Deformieren und letztlich Abreißen zweier Ebenen mit dem Versetzungmodell erklären.
1. Es sind Platzwechselvorgänge im gestörten Gitter möglich. Einzelbindungen reißen und bilden sich zu anderen Atomen neu. (linkes Bild, oben)
2. Das Abgleiten erfolgt über die dichtest besetzten Ebenen (linkes Bild, Mitte) 3. Bei Anlegen einer Schubspannung wird das Gitter in den ersten senkrecht
stehenden Gitterebenen so lange elastisch weggedrückt, bis die erste Bindung reißt. In der zweiten senkrechten Ebene hat sich somit eine Versetzung gebildet.
Wird weiterhin Schubspannung aufgebracht, kann sie durch das Material durchwandern, (rechtes Bild)
4. wenn sie nicht an Hindernissen hängen bleibt. (linkes Bild unten)
(8) Versetzungslinien Hindernisse können weich (linkes Bild) –>
Die Versetzungen
vervielfachen sich, werden kleiner und
werden dadurch wirksamer.
! Aber der Widerstand ist nicht so groß wie bei harten Versetzungen ! oder hart (rechtes Bild) sein –> Versetzungen werden größer und wirksamer, weil sich Versetzungsringe um die Teilchen bilden.
! Der Widerstand, die
Teilchen zu umgehen, ist sehr groß !
Harte Teilchen wie Oxide, Karbide etc. wirken stark verfestigend, müssen aber fein verteilt im Gefüge vorkommen.
(9) C im Eisengitter
C-Atome sind im Vergleich zu Fe- Atomen so klein, dass sie nicht wie Ni- oder Cr-Atome auf Gitterplätzen Halt finden. Sie werden auf Zwischengitter- plätzen angeordnet.
! Aber: C-Atome sind größer als die Zwischenräume !
Also zwängen sie sich in das Gitter, weiten es, machen die Gleitebenen zu Holperstrecken, was zusätzlich die Versetzungswanderung behindert.
Da die große Lücke im kfz-Gitter an der gleichen Stelle liegt, an der sich die kleinste Lücke im krz-Gitter befindet (das Fe-Gitter klappt beim
Abkühlen bei 723 °C um), kann man bei schneller Abkühlung Probleme bekommen.
–> siehe später
Bei langsamer Abkühlung diffundiert das C-Atom (Platzwechselvorgänge, die im Zwischengitterbereich sehr leicht ablaufen) an die im krz-Gitter etwas größere Lücke (tetraedrische Lücke) –> (10)
Im Fe-C-Diagramm wird das deutlich durch die Löslichkeit 0,02 % im krz, 0,8 % C im kfz.
(10) Gitterlücken
Die größten Lücken betragen 0,41 beim kfz und 0,29 beim krz
Damit sind die Lücken kleiner als das C-Atom, das ein Radienver- hältnis zum Eisen von 0,61 aufweist (bei N, das ebenfalls in Sonderfällen als Legierungselement eingesetzt wird, beträgt das Verhältnis 0,57).
Die Oktaederlücken befinden sich in beiden Gittern auf Kantenmitten, das führt beim Abschrecken zu –> (11) (11) Martensitbildung
Man kann das krz-Gitter in das kfz-Gitter als Tetraeder einschreiben, wobei
1. die C-Atome bei rascher Abkühlung (beim Abschrecken) an den Stellen der kleinsten Lücken festgehalten werden
(sie wollen eigentlich in die größeren Lücken diffundieren) und
2. viel zu viele C-Atome im Gitter
bleiben, die bei langsamer Abkühlung aus dem Gitter herausdiffundieren würden.
3. das Gitter wegen der C-Atome im tetragonal verzerrten Zustand verbleibt und sich nicht entspannen kann.
Das bedeutet eine enorme Verspannung des Gitters –> eine Verfestigung, aber auch eine Versprödung bis zum glasharten Zustand. MARTENSIT
Technisch ist reiner Martensit nicht verwendbar, jedenfalls nicht als Konstruktions- werkstoff (Anlassen des Martensits zur Bildung von Vergütungsgefüge), höchstens als Oberflächenschicht, aber auch dann ist die Schicht wegen des glasharten Zustandes sehr anfällig (Stabilisieren bei martensitischen Oberflächen).
(12) Fe-C-Diagramme
Das Diagramm auf der Stahlseite bis 1,2 bis höchstens 1,5 % C; darüber hinaus Hartwalzenguss, Hartstahlwalzen, Temperguss, Gusseisen mit Lamellen- aber auch mit Kugelgraphit.
(Austentin im Bild statt Austenit) Perlitischer Zerfall des Austenits bei 723 °C
Überschüssige C-Atome diffundieren eine kurze Strecke und bilden Fe3C
(Erst bei langem Halten und Pendeln um 723 °C und damit größeren Diffusionswegen, kann sich Weichglühgefüge = Fe3C-Teilchen in Ferrit-Grundmasse bilden.)
Perlit besteht aus Ferrit mit 0,02 % C und Fe3C mit 6,67 % C
(13) Legierungseinfluss
Legierungselemente, die auf Gitterplätze eingebaut werden, können
- ferritstabilisierend, also krz, Das γ-Gebiet schnürt sich ein
(Cr = ferritische Cr-Stähle) Kein Unterschied zwischen δ und α
oder
- austenitstabilisierend, also kfz, bei hohen Gehalten bleibt bei (Ni oder Mn = kaltzähe Ni-Stähle der Abkühlung das kfz-Gitter oder Mangan-Hartstahl) erhalten.
wirken .
Bei etwas erhöhten Ni-Gehalten kann sich beispielsweise der Martensit bereits bei langsamer Abkühlung bilden = Lufthärter
(14) Festigkeit - Dehnung
Wirkung auf Festigkeit und Dehnung
1. normalisierter Stahl: langsam abgekühlt, ferritisch-perlitisches Gefüge
2. gehärteter Stahl: so rasch abgekühlt, dass keine C-Diffusion stattfindet und beim Umklappen des Gitters die C-Atome eingeklemmt werden = Martensitbildung 3. gehärtet und angelassen = vergütet
etwas Festigkeit wieder abgegeben aber erheblich an Zähigkeit gewonnen
(15) Härten und Einsatzhärten
1. durch schnelles Abkühlen / Abschrecken in Öl oder Wasser erreicht man Martensit (weichen Martensit bei geringem C-Gehalt) Einsatzhärten:
wenn man wenig C im Stahl hat, dann empfiehlt sich ein Aufkohlen (meist jedoch nur oberflächlich in Randzonen) und anschließendes Abschrecken.
2. Einen zähen Kern erhält man, wenn man nach dem Aufkohlen langsam abkühlt, ggf. auch den Austenit bei isothermer Behandlung in ein sehr günstiges feinstreifiges Perlitgefüge zu verwandeln. Anschließend wird
a. ein Oberflächenhärten durchgeführt, gezielt auf den hohen C-Gehalt im Rand und, wenn die Schicht damit zu hart sein könnte,
b. noch ein Anlassen bei 480 bis 550 °C angeschlossen, um im Rand ein Ver- gütungsgefüge zu erhalten.
(16) Schlagbeanspruchung
Bei Schlagbeanspruchung verhalten sich Metalle je nach Gefüge unterschiedlich Generell wird durch schlagartige
Beanspruchung eine höhere Festigkeit vorgetäuscht. Eine höhere Festigkeit ist gleichbedeutend mit erhöhter Sprödigkeit.
Die Sprödbuchanfälligkeit ist gering bei kfz-Gittern (auch nicht bei tiefen Tempe- raturen), weshalb für Tieftemperatur- einsatz Austenit oder Titan gern eingesetzt wird.
Das krz-Gitter zeigt einen Steilabfall, d.h.
bei niedrigen Temperaturen tritt Sprödbruch auf, nicht nur im Kerbschlagversuch, auch bei anderer schlagartiger Beanspruchung. Der Steilabfall liegt bei unlegierten Stählen im Bereich von -20 °C bis +20 °C. Eine Verschiebung wird erreicht durch Legierungs-
elemente, aber auch durch beispielsweise die Beanspruchungsgeschwindigkeit wie beim Beschuss.
(17) Recken + Reckaltern
Jede plastische Verformung, ob durch Recken (langsame
Verformung) oder durch
Schlagbeanspruchung (Beschuss), führt zu einer Verfestigung durch explosionsartiger Vermehrung der Versetzungen bei gleichzeitiger Verminderung der Dehnung (=
Versprödung). (Unmittelbar nach dem Recken zeigt sich die
Verfestigung ohne Ausbildung einer Fließgrenze mit einer Streckgrenze im Bereich der Vorspannung) Die Versprödung kann durch eine Wärmebehandlung rückgängig gemacht werden:
Auslagern bei 100 bis 150 °C: Es bildet sich erneut die Streckgrenze aus, weil die Fremdatome ausreichend Zeit hatten, an die bevorzugten Plätze im Bereich
der Versetzungen zu diffundieren (Fließgrenze auf höherem Niveau als vor dem Recken).
Erholungsglühen bei leicht erhöhten Temperaturen = Verminderung der
Versetzungsanzahl durch mögliche Diffusion und damit Versetzungswanderung bis zur Auslöschung, oder
Normalglühen mit Kornneubildung (Fließgrenze wie im Ausgangszustand) oder ein beliebiges anderes gefügeveränderndes Wärmebehandeln –> (18) (18) ZTU-Schaubild für C45
Rückgängigmachung einer Versprödung durch gefügeveränderndes Glühen.
Je nach Wahl der Abkühlungs-
geschwindigkeit stellt sich ein Gefüge ein, wie es im einschlägigen ZTU- Schaubild abgelesen werden kann.
! Martensit lässt sich in einem dicken Bauteil aus C45 nicht in der ganzen Wand einstellen, weil die erforderliche Abkühlungsgeschwindigkeit (s. Bild) durch kein Kühlmedium erreicht wird.
Erforderlich ist eine Abkühlung inner- halb von 2 min auf 350 °C auch im Kern des Bauteils.
Durch Legierungsgehalte kann die Umwandlung träger gestaltet werden, beispiels- weise durch Ni oder Cr –> (19)
(19) ZTU-Schaubild für 36Cr6 (0,36 % C und 6/4 % Cr)
Dieser geringe Cr-Gehalt reicht aus, den Stahl mit einer Abkühlung auf 350 °C innerhalb von 20 min rein martensitisch zu bekommen, d.h. in einem sehr viel dickeren Bauteil kann auch im Kern Martensit gebildet werden, oder mit anderen Worten ein Stahl kann auch mit größeren
Wanddicken vergütet werden.
Kühlt man den Stahl sehr langsam ab (am Rand und im Kern) z.B. wenn
man erst nach einer Stunde auf 500 °C ankommt, kann man ein normalisiertes Gefüge einstellen. Jede Versprödung wird damit aufgehoben, es werden jedoch nicht etwaige Verletzungen (Risse, Ausplatzungen etc.) verschwinden.
(20) ZTU-Schaubild für 36Cr6 isotherm
Eine Gefügeumwandlung kann auch isotherm, also bei einer Temperatur erfolgen, Voraussetzung ist allerdings, dass man schnell genug auf
Auslagerungstemperatur absenkt, um nicht vorzeitig die Perlitnase zu streifen.
(21) Unlegierte Baustähle
Auszug aus EN 10027, vormals DIN 17100
Ein Vergleich: St 37 ist nach neuer Bezeichnung S 235 in den verschiedenen Behandlungszuständen und Gewährleistungen
S = allg. Baustahl JR = Mindestanford. 27 J Kerbschlagarbeit bei -20 °C E = Maschinenbaustahl jede weitere Kennzeichnung = steigende Güte
Höhere Zähigkeit bei abnehmender Temperatur, als steigende Sprödbruchempfindlichkeit und verbesserte Schweißeignung.
(22) Randschichthärten
Wenn es sich um Stähle handelt, die beispielsweise nur am Rand gehärtet werden können, dann werden diese in einer Norm zusammengefasst, wie hier in DIN 17212 Nur Randschichten können hier gehärtet werden (! hier kein Durchhärten !
wie vorher bereits erörtert !) C45 bis 36 Cr 6 und ähnliche Stähle
Andere Stähle z.B. warmfeste Stähle Vergütungsstähle
Vergütungsstähle für dicke Wandstärken etc.
erhalten immer eine eigene Norm.
(23) Al als Abschirmung
Verwendet man Aluminium als Abschirm- oder
Fangblech, muss man eine 6-fach dickere Wandstärke wählen, das bedeutet
bei einem etwa 3x leichteren Werkstoff wird die Abschirmung aber einem 6x dickeren Material 2x so schwer
(24) Zusätzliche Fragen zum Verhalten, zu Sonderwerkstoffen und zu Verfahren:
Korrosion: Nichtrostende Stähle (Cr-Ni-Stähle, kfz-Gitter = Austenit), auch weiße Stähle genannt, anstelle von schwarzen Stählen (Kohlenstoffstählen), die in der Atmosphäre verrosten können, sind einerseits wesentlich teurer, andererseits kann man austenitische Stähle auch nicht mit vergleichweise hohen Oberflächenhärten ausstatten.
Oberflächen: Raue, gewellte, geriffelte Anfangsoberflächen haben meiner Einschätzung nach keine vorteilhafte Wirkung. Viel eher wird sich eine höhere Oberflächen- härte auf die Lebensdauer auswirken (hier sei an Panzerplatten-Stahl erinnert, der geringe Anteile an Cr und Ni in der Größenordnung von 1,5 bis 2,5 % be- sitzt). Hohe Oberflächenhärte gepaart mit einem zähen Kern sollte den Vorteil bringen, die glasharte Oberfläche, die vom zähen Kern gehalten wird.
Keramik: Je spröder das Material ist, desto stärker neigt es zu
- gefährlichen Abplatzungen, die zu Sekundärgeschossen werden können, - zu Mikro- und Makrorissen, die die Keramik schließlich zermürben.
Auch wird die Konstruktion wesentlich dadurch verteuert, dass nicht vom Halbzeug zugeschnitten werden kann. Alle Teile werden Einzelfertigungen sein. Nahtloses Verbinden wie durch Schweißen ist nicht bekannt.
Sintermetall: Ist in der Regel sehr teurer. Die Eigenschaften für den vorliegenden Verwendungszweck erwartungsgemäß nicht besser.
Schweißen: Gegen Schweißen ist im Grundsatz nichts einzuwenden, wenn nicht hochgekohlte Stähle, einsatzgehärtete oder sonst oberflächengehärtete Stähle, die nicht oder nur schwer schweißbar sind, eingesetzt werden. Bei solchen Stählen kann es zu Problemen wegen der beim Schweißen nicht gegebenen Gefügestabilität kommen. Eine gefügeeinstellende Wärmebe- handlung, die nach dem Schweißen erforderlich wäre, schließt sich naturgemäß im vorliegenden Fall aus.
Schweißverfahren haben keine Auswirkung. Die unterschiedlichen Verfahren sind für verschiedene Anwendungsfälle auch für unterschiedliche Materialien ent- wickelt worden. Die Ergebnisse von Schweißungen, wenn verschiedene Verfahren möglich und zugelassen sind, sind qualitativ gleichwertig. Sobald ein maschinelles Verfahren gewählt wird, bei dem eine Einrichtung
erforderlich wird, ist das auf der Baustelle eines Schießstandes nicht mehr zu vertreten. Die m.E. denkbaren Verfahren sind das Elektro-Lichtbogen-
Verfahren und das Gasschmelzschweißverfahren. Beide Verfahren sind ein- setzbar – die Ergebnisse vergleichbar gut.
Prof. Dr. Köhler
Eschweiler, den 7.März 2009
