Gefüge und Eigenschaften der Stähle mit besonderer Beachtung der hochfesten Baustähle

1 Einleitung – Abgrenzung des Themas.......................................3

2 Einteilung und Kennzeichen der Baustähle ..............................5

2.1 Allgemeine unlegierte Feinkornbaustähle .............................................. 13

2.2 Hochfeste mikrolegierte Feinkornbaustähle........................................... 16

2.3 Thermomechanisch behandelte Feinkornbaustähle .............................. 19

2.4 Vergütete Feinkornbaustähle................................................................. 21

3 Ausblick......................................................................................23

4 Literaturhinweise .......................................................................24

Zusammenfassung

Hohe Festigkeiten, wie sie wegen der zunehmenden Tendenz zum Leichtbau erforderlich sind, wer- den bei Stählen i.A. durch höhere Kohlenstoffgehalte und durch Bildung harter Gefügebestandteile wie Martensit oder Zwischenstufengefüge erzielt. Bei Stählen mit guter Schweißeignung versagen je- doch diese Mechanismen. Der Kohlenstoffgehalt muss, um gefährliche Aufhärtungen zu vermeiden, auf Anteile unter 0,2% begrenzt bleiben. Feinkornbaustähle mit guter Schweißeignung erhalten daher ihre hohe Festigkeit durch Zugabe von Legierungselementen (Mn, Si, Cr, Cu, Ni, Mo), die u. a. eine Legierungsverfestigung im Ferritmischkristall bewirken. Weitere Legierungselemente wie z.B. AI, Ti, Nb und V bilden schwer lösliche und kornwachstumshemmende Nitride bzw. Karbide. Ein besonders fein- körniges Gefüge ist die Folge, wodurch die Streckgrenze weiter erhöht und gleichzeitig die Kerb- schlagarbeit verbessert wird. Weitere Optimierungen, insbesondere bezüglich der Festigkeit werden durch gezielte thermomechanische und Vergütungsbehandlungen erreicht.

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1 Einleitung – Abgrenzung des Themas

Unter allen technischen Werkstoffen werden Metalle auch weiterhin eine herausra- gende Rolle spielen. Dies gilt mit kleinen Einschränkungen ganz besonders für die

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Stähle, die als typische Vertreter der Strukturwerkstoffe noch erhebliches Entwick- lungspotential besitzen /1-3/ Kein anderer technischer Werkstoff wird weltweit in sol- chen Mengen (ca. 700 Millionen Tonnen Rohstahl/Jahr) produziert wie Stahl, und kaum ein anderer verfügt über so vielfältige nützliche Eigenschaften. Die große tech- nische Bedeutung beruht vor allem auf der guten Formbarkeit und der Eignung zur gezielten Einstellung von Eigenschaftskombinationen durch Legieren und/oder ther- mische bzw. mechanische Behandlungen. Insbesondere in dem großen und komple- xen Bereich der mechanischen und thermo-mechanischen Beanspruchung sind Stähle nach wie vor die erste Wahl und bieten die höchste Sicherheit und Zuverläs- sigkeit. Hinzu kommt, dass eine extrem langjährige Erfahrung mit dem Umgang von Stählen existiert, d.h. Herstellungs-, Fertigungs-, Verarbeitungs- aber auch Repara- turverfahren sind weitestgehend etabliert. Nicht zuletzt ist einerseits die relativ preis- werte Verfügbarkeit von Eisen und seinen Legierungskomponenten (auch wenn bei Verfügbarkeit und Preis von Stahl und Stahlschrott in jüngster Zeit durch massive Aufkäufe aus dem asiatischen Raum eine deutliche Wendung festgestellt werden konnte), andererseits aber auch die Recycling-Fähigkeit von Stählen außerordentlich hoch und damit positiv zu bewerten.

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2 Einteilung und Kennzeichen der Baustähle

Stähle ermöglichen ein reichhaltiges Spektrum von einstellbaren Eigenschaften bzw. Eigenschaftskombinationen. Dabei führen geringfügige Änderungen der chemischen Zusammensetzung (Tabelle 1), aber auch der Produktions- und Weiterverarbei-

tungsbedingungen bereits zu unterschiedlichen Festigkeits- und Zähigkeitskennwer- ten. Dies wird in raffiniert zusammengestellten Legierungen - oft in Kombination mit immer wieder neuartigen Behandlungsmethoden - bis ins letzte Detail ausgenutzt.

Die wichtigste werkstoffkundliche Grundlage dafür ist ein ganz besonderes Verhalten der meisten Stähle. Danach sind in Abhängigkeit der Temperatur zwei unterschiedli- che Atomgitterstrukturen mit jeweils ganz spezifischen Einflüssen auf die Werkstoff- eigenschaften thermodynamisch stabil. Hierdurch werden wiederum erst spezielle „innere Vorgänge“ wie z.B. die Lösung von anderen Legierungselementen, deren Dif- fusionsfähigkeit und letztendlich auch die Härtbarkeit ermöglicht. Die Bilder 1a und b zeigen als Beispiel dazu das mikroskopisch sichtbare Gefüge vor und nach einer sol- chen Gitterumwandlung (martensitische Umwandlung), wie sie in ähnlicher Weise auch beim Härten von Stahl zu beobachten ist /4/.

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Tabelle 1: Legierungselemente verändern die Eigenschaften von Stahl auf un-

terschiedliche Weise; hier: vereinfachte Zuordnung von Legierungselementen

und deren Wirkung.

Bild 1a: Gefüge einer Eisen-Nickel-Legierung vor der Gitterumwandlung

(Austenit), Lichtmikroskopie

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