Gefüge und Eigenschaften der Stähle mit besonderer Beachtung der hochfesten Baustähle

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung – Abgrenzung des Themas

2 Einteilung und Kennzeichen der Baustähle
2.1 Allgemeine unlegierte Feinkornbaustähle
2.2 Hochfeste mikrolegierte Feinkornbaustähle
2.3 Thermomechanisch behandelte Feinkornbaustähle
2.4 Vergütete Feinkornbaustähle

3 Ausblick

4 Literaturhinweise

Zusammenfassung

Hohe Festigkeiten, wie sie wegen der zunehmenden Tendenz zum Leichtbau erforderlich sind, werden bei Stäh­len i.A. durch höhere Kohlenstoffgehalte und durch Bildung harter Gefügebestand­teile wie Martensit oder Zwischenstufengefüge erzielt. Bei Stählen mit guter Schweiß­eignung versagen jedoch 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 feinkörniges Gefüge ist die Folge, wodurch die Streckgrenze weiter erhöht und gleichzeitig die Kerbschlagarbeit verbessert wird. Weitere Optimierungen, insbesondere bezüglich der Festigkeit werden durch gezielte thermomechanische und Vergütungsbehandlungen erreicht.

1 Einleitung – Abgrenzung des Themas

Moderne und innovative Stahlwerkstoffe müssen die vielfältigsten Forderungen erfüllen. Vor dem Hintergrund der Wettbewerbsfähigkeit der Industrie heißt dies beispielsweise, dass der gewählte Werkstoff

- die vorhandene Infrastruktur nutzen,
- Serienfertigung ermöglichen,
- die Fertigung rationalisieren,
- optimierte Eigenschaften besitzen,
- die Leistung steigern sowie
- das Gewicht einer Konstruktion verringern

muss. Eine grundlegende Voraussetzung zur Erfüllung solcher Anforderungen ist, dass das Material in der Infrastruktur der weiterverarbeitenden Industrie eingesetzt werden kann. Das bedeutet, dass sich die hohen Investitionen in maschinelle Ausrüstung, wie beispielsweise Maschinen zum Fügen und zum Umformen, und die Investitionen in Schulung und Know-how rentieren müssen.

Eine andere, ebenso wichtige Voraussetzung ist, dass das Material in der industriellen Serienfertigung eingesetzt werden kann, wo immer höhere Anforderungen bezüglich kurzer Laufzeiten und besserer Produktionsergebnisse gestellt werden.

Das Material muss auch eine rationellere Fertigung ermöglichen. Ein Beispiel sind die Kaltumformeigenschaften von höherfesten Stahl, d.h. der Stahl muss in einem einzigen Stück gepresst und gebogen werden können, statt mehrere Teile zusammenschweißen zu müssen.

Das gewählte Material muss auch eine Verbesserung der wesentlichen Eigenschaften bieten. Das kann beispielsweise bedeuten, dass ein Teil oder Produkt eine längere Lebensdauer hat oder die Kosten seiner Wartung geringer sind.

Ein sehr deutliches Resultat der gesamten Produktentwicklung ist, dass eine neue Generation leistungsfähiger, leichter und kleiner ist als die Vorgängergeneration.

Unter allen technischen Werkstoffen werden Metalle auch weiterhin eine herausragende Rolle spielen. Dies gilt mit kleinen Einschränkungen ganz besonders für die Stähle, die als typische Vertreter der Strukturwerkstoffe noch erhebliches Entwicklungspotential besitzen /1-3/ Kein anderer technischer Werkstoff wird weltweit in solchen Mengen (ca. 700 Millionen Tonnen Rohstahl/Jahr) produziert wie Stahl, und kaum ein anderer verfügt über so vielfältige nützliche Eigenschaften. Die große technische Bedeutung beruht vor allem auf der guten Formbarkeit und der Eignung zur gezielten Einstellung von Eigenschaftskombinationen durch Legieren und/oder thermische bzw. mechanische Behandlungen. Insbesondere in dem großen und komplexen Bereich der mechanischen und thermo-mechanischen Beanspruchung sind Stähle nach wie vor die erste Wahl und bieten die höchste Sicherheit und Zuverlässigkeit. Hinzu kommt, dass eine extrem langjährige Erfahrung mit dem Umgang von Stählen existiert, d.h. Herstellungs-, Fertigungs-, Verarbeitungs- aber auch Reparaturverfahren sind weitestgehend etabliert. Nicht zuletzt ist einerseits die relativ preiswerte 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.

Das folgende Beispiel zeigt, dass sich schon durch eine relativ leicht zu realisierende Anpassung der Konstruktion an die Eigenschaften von höherfesten Stählen wesentlich höhere Leistungen erzielen lassen:

So sind die vorderen Seitenträger wichtige Sicherheitskomponenten von Fahrzeugen. Deren Aufgabe besteht darin, bei einer Kollision die Energie aufzunehmen. Die Seitenträger wurden in diesem Fall aus einem weichen Stahl gefertigt und hatten quadratische Form. Durch Wechsel zu kaltgewalztem höherfesten Stahl wurde das Energieaufnahmevermögen verdoppelt. Wenn man außerdem die Form des Trägers von quadratisch zu sechseckig verändert, erhält man gleichzeitig eine weitere Erhöhung des Energieaufnahmevermögens um nicht weniger als 50 %.

Es gibt keine einheitliche Definition von höherfestem Stahl. Die Definition ist von Branche zu Branche unterschiedlich und beruht darauf, wie der höherfeste Stahl angewendet wird. Das Ziel dieses Aufsatzes soll deshalb darin bestehen, eine kurze aber prägnante Übersicht über die Wechselwirkungen zwischen Gefüge (also dem inneren Aufbau) und den Eigenschaften von Stählen zu geben, wobei wegen ihrer zunehmenden Bedeutung ein besonderer Schwerpunkt auf die höherfesten Baustähle gelegt werden soll.

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 Weiterverarbeitungsbedingungen bereits zu unterschiedlichen Festigkeits- und Zähigkeitskennwerten. 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 unterschiedliche Atomgitterstrukturen mit jeweils ganz spezifischen Einflüssen auf die Werkstoffeigenschaften thermodynamisch stabil. Hierdurch werden wiederum erst spezielle „innere Vorgänge“ wie z.B. die Lösung von anderen Legierungselementen, deren Diffusionsfähigkeit und letztendlich auch die Härtbarkeit ermöglicht. Die Bilder 1a und b zeigen als Beispiel dazu das mikroskopisch sichtbare Gefüge vor und nach einer solchen Gitterumwandlung (martensitische Umwandlung), wie sie in ähnlicher Weise auch beim Härten von Stahl zu beobachten ist /4/.

Tabelle 1: Legierungselemente verändern die Eigenschaften von Stahl auf unterschiedliche Weise; hier: vereinfachte Zuordnung von Legierungselementen und deren Wirkung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1a: Gefüge einer Eisen-Nickel-Legierung vor der Gitterumwandlung (Austenit), Lichtmikroskopie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1b: Gefüge einer Eisen-Nickel-Legierung nach der Gitterumwandlung (Martensit), Lichtmikroskopie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Anteil der allgemeinen Baustähle an der Weltstahlproduktion beträgt etwa 70%. Allein daraus wird bereits deutlich, wie wichtig diese Werkstoff- bzw. Stahlgruppe für die Industrie, insbesondere für den Maschinenbau, ist.

Baustähle stellen damit unter den Stählen die mengenmäßig am häufigsten eingesetzte Gruppe dar. Sie werden in vielfältigster Weise im Stahlbau, im Apparatebau und im Maschinenbau eingesetzt.

Ihre Hauptaufgabe ist (wie bei allen Strukturwerkstoffen) die Aufnahme von Lasten aller Art (mechanisch, chemisch, thermisch). Für den erfolgreichen Einsatz in der Praxis müssen natürlich noch weitere Anforderungen, insbesondere im Bereich ihrer technologischen Eigenschaften (i.d.R. meint man damit fertigungsbedingte Eigenschaften) erfüllt sein:

- Umformbarkeit
- Sprödbruchsicherheit
- Schweißeignung

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