Hochfeste Stahlbleche
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- Oldwig Lehmann
- vor 7 Jahren
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1 Hochfeste Stahlbleche Hochleistungswerkstoffe im konstruktiven Stahlbau Dipl.-Ing. R. Willms, Dr.-Ing. F. Schröter, AG der Dillinger Hüttenwerke Kurzfassung Das Thema Nachhaltigkeit rückt im Baubereich immer mehr in den Mittelpunkt der Diskussion. Einen der wichtigsten Teilaspekte dieses umfassenden, aber auch schwer abzugrenzenden Schlagwortes stellt der verantwortungsbewusste Umgang mit Rohstoffen, d.h. für den Stahlbauer insbesondere mit dem Werkstoff Stahl, dar. Die jüngsten Turbulenzen auf den internationalen Stahlmärkten gaben diesem Leitbild aber auch eine ganz klare ökonomische Komponente. Hier greifen die Materialneuentwicklungen der Stahlwerke an. Als Beispiel seien die höherfesten Stahlgüten mit einer Streckgrenze größer 46 MPa genannt, mit denen sich unter entsprechenden Bedingungen die konstruktiven Querschnitte verringern lassen. Aber neue Stahlentwicklungen verfolgen noch weitere Ziele. Ob durch gute Verarbeitungseigenschaften (z.b. Schweißeignung) oder bessere mechanische Eigenschaftswerte (wie z.b. die höheren Streckgrenzenwerte eines höherfesten Stahles) soll die Fertigungseffizienz in der Stahlbauwerkstatt erhöht werden und das, ohne den Aspekt der Bauteilsicherheit zu vernachlässigen. Auch sollte nicht übersehen werden, dass durch moderne Stähle besondere architektonische Formen erst ermöglicht werden. 1. Einleitung In den dreißiger Jahren wurde der St52 mit einer Streckgrenze von 36 kp/mm² in den Stahlbau eingeführt. Vergleicht man ihn mit der heutigen Standardgüte S355J2 mit einer Streckgrenze von 355 MPa könnte der Eindruck entstehen, es hätte sich in der Entwicklung der Baustähle nicht viel getan. Dem ist nicht so. Die Entwicklung ist nicht nur im Bereich der Streckgrenze und Zugfestigkeit vorangeschritten, sondern auch im Bereich der Verarbeitungseigenschaften (gute Schweißeignung) und der strukturellen Sicherheit vor allem durch höhere Materialzähigkeit (Vermeidung von Sprödbruch etc.). Diesbezüglich sind die heutigen Güten nicht mehr mit ihren Vorgängern zu vergleichen. Die lieferbare Streckgrenze der letzten Jahrzehnte wird durch Abbildung 1 verdeutlicht.
2 Nicht nur im mechanischen Eigenschaftsprofil, sondern auch bei den verfügbaren Abmessungen wurden Fortschritte erzielt. Durch Optimierungen der Anlagentechnik lassen sich heute Bleche mit Dicken größer 8 mm mit ausreichend guten Zähigkeitseigenschaften herstellen. Streckgrenze [MPa] 12 S11Q 16 1 S96Q S89Q S69Q 1 6 S46N S46M S5M 8 4 S355J2 S355N S355M 6 2 TM-gewalzt vergütet 4 2 normalisiert / normalisierend gewalzt Bild 1: Historische Entwicklung der Produktionsprozesse für gewalzte Stahlprodukte Jahr Streckgrenze [ksi] Die Vorteile höherer Streckgrenzen im Stahlbau sind klar. Die dadurch mögliche Reduzierung der tragenden Querschnitte führt zu einer Senkung des Materialverbrauchs und einer Erhöhung des Werkstattdurchsatzes. Die Aufgabe, bei den genannten hohen Anforderungen an die Zähigkeit und die Verarbeitungseigenschaften, Stähle mit höheren Streckgrenzen zu entwickeln, stellt die eigentliche Herausforderung an die Innovationsfähigkeit der Stahlhersteller dar. 2. Übersicht der Produkte und Produktionsprozesse Schweißgeeignete Feinkornbaustähle werden in den Lieferzuständen normalisiert, vergütet und thermomechanisch gewalzt angeboten. Abbildung 2 zeigt die Temperaturführung und Abbildung 3 die typischen Gefügestrukturen von Stählen dieser Herstellungsverfahren. Für moderate Anforderungen an Festigkeit und Zähigkeit reicht das klassische Walzen mit anschließendem Normalisieren aus. Auf diese Weise werden schweißgeeignete Feinkornbaustähle bis S46N, d.h. einer Nominalstreckgrenze von über 46 MPa, produziert. Dem klassischen Warmwalzen folgt ein erneutes Erwärmen über Ferrit-Austenit- Umwandlungstemperatur mit folgender Abkühlung an Luft (Prozess A+B in Abb. 2). So erhält man ein feines Gefüge aus Ferrit und Perlit (Abb. 3 oben links). Durch Vergüten lassen sich heute Baustähle mit Streckgrenzen bis zu 11 MPa (S11Q) herstellen. Die gewalzten Bleche werden austenitisiert, in Wasser gehärtet und anschließend
3 angelassen (Prozess A+C in Abb. 2). Man erhält einen Stahl mit typischem Vergütungsgefüge (Abb. 3 unten links). Prozess Warmwalzen Temperatur Luft Wasser α γ Ferritische Phase Austenitische Phase Zeit Bild 2: Zeit-Temperatur-Führung in der Blechherstellung: normalisiert (A und B), vergütet (A und C), thermomechanisch gewalzt (D bis G) N normalisiert TMa TM (Luft) Q vergütet TMb TM (ACC) Bild 3: Schliffbilder von normalisierten (o.l), vergütetem (u.l) und thermomechanisch gewalztem Stahl (o.r. und u.r.) Beim Thermomechanischen Walzen (TM) werden Temperaturführung und Walzschritte geschickt miteinander kombiniert. Dadurch erreicht man die Ausbildung eines sehr feinkörnigen Gefüges. Die durch Kornfeinung erreichte Festigkeitssteigerung ermöglicht eine signifikante Reduzierung der Legierungselemente im Vergleich zu normalisierten Stählen vergleichbarer Festigkeit. Die damit einhergehende Verbesserung der Schweißeignung ist der Hauptvorteil thermomechanisch gewalzter Bleche. Die Ablaufplanung der Walzschritte mit Zuordnung zu genau definierten Temperaturen ist für die jeweiligen Festigkeits- und
4 Zähigkeitsanforderungen individuell angepasst (Prozesse D-G in Abb. 2). Für höhere Blechdicken kann ein beschleunigtes Abkühlen nach abgeschlossenem Walzprozess von Vorteil sein (ACC accelerated cooling), um die Rekristallisation des eingeformten Austenits zu unterdrücken. Auch direktes Härten (DQ direct quenching) mit anschließendem Anlassen ist realisierbar (Abb. 3 oben rechts und unten rechts). 3. TM gewalzter Stahl Die hervorragende Schweißeignung von TM gewalzten Blechen hat den Vorteil, dass im Vergleich zu konventionell gewalzten Blechen das Vorwärmen beim Schweißen deutlich reduziert werden, wenn nicht sogar vollkommen entfallen kann (Kosteneinsparung bei der Fertigung). Zusätzlich liegen in der Regel die Zähigkeitswerte höher. Auch in der Wämeeinflusszone beim Schweißen können sehr gute Zähigkeitswerte erreicht werden, so dass von einer hohen Sprödbruchunempfindlichkeit ausgegangen werden kann. Charpy-V Kerbschlagarbeit [J] S355ML S355J2 T t Temperatur [ C] Bild 4: Vergleich der Kerbschlagarbeitswerte vom normalisiertem Stahl S355J2 und dem thermomechanisch gewalzten Stahl S355ML Dies ist wesentlich durch die niedrigeren Kohlenstoffäquivalente thermomechanisch gewalzter Stähle bedingt. Das Zähigkeitsverhalten von TM-Stählen im Vergleich zu einem konventionellen Stahl ist in Abbildung 4 verdeutlicht. Die Übergangstemperatur zwischen sprödem und zähem Verhalten liegt deutlich niedriger. Ein weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit bei einer Stahlsorte eine höherer Festigkeit einzustellen, ohne durch stärkere Legierung eine schlechtere Schweißeignung zu produzieren. Die Festigkeitssteigerung wird allein durch die entsprechenden Walz- und Temperaturparameter eingestellt.
5 Beispiele für den Einsatz von TM-Stählen sind: - Die Oresund-Verbindung zwischen Malmö und Kopenhagen, dort wurden mehr als 25 t S46M/ML für die Fachwerkträgerkonstruktion eingesetzt. - Das Millau-Viadukt, eine 246m lange Mehrfach-Schrägseilbrücke (Abb. 5). Dort wurden ca. 18 t S46M/ML und S46QL in Dicken bis 2 mm im mittleren Kasten sowie den Pylonköpfen eingesetzt. - Die Rheinbrücke Ilverich mit einer Spannweite von 287,5 m. Dort kamen rund 7 t S46ML in Dicken bis 1 mm für die 35 m hohen Pylone zum Einsatz. Bild 5: Viadukt de Millau in der Konstruktionsphase 4. Vergüteter Stahl Vergütete Stähle werden durch Austenitisieren bei 9-95 C, Abschrecken in Wasser und anschließendem Anlassen hergestellt. Damit werden heute Stähle mit Streckgrenzen bis 11 MPa angeboten. Das Ziel des Vergütens ist es, ein Gefüge aus angelassenem Martensit zu erhalten. Beim Abschrecken ist zu beachten, dass eine kritische Abkühlgeschwindigkeit erreicht werden muss, um Martensitbildung einzuleiten. Da die Abkühlgeschwindigkeit an der Oberfläche des zu vergütenden Stahles am größten ist und mit der Tiefe abnimmt, muss das Legierungskonzept dieser Stähle darauf abzielen, bei dicken Blechen für eine ausreichende Härtung des Kerns zu sorgen. Betrachtet man die mechanischen Eigenschaften des Stahles im gehärteten Zustand, so ist die Festigkeit unter Umständen höher als benötigt. Ein Anlassen bei Temperaturen um 5 unter Umwandlungstemperatur bewirkt eine Entspannung des Martensits, so dass auch ein besseres Zähigkeitsverhalten ausgebildet wird. Abbildung 6 verdeutlicht den Einfluss der Anlassparameter auf die mechanischen Eigenschaften des gehärteten Stahles.
6 Charpy-V Kerbschlagarbeit [J] A4 A3 A2 A1 quenched Temperatur [ C] Bild 6: Einfluss des Anlassparameters auf die Kerbschlagarbeitswerte von S89QL (d = 6mm, A1<A2<A3<A4) In Abhängigkeit der Streckgrenze kann aufgrund des höheren Legierungsgehaltes und des engen Abkühlungsintervalles, zum Erreichen der gewünschten mechanischen Eigenschaften, das Schweißen mit engerer Wahl der Schweißparameter verbunden sein, als bei TM-Stählen und allgemeinen Baustählen. Der Stahl S69QL1 kann prinzipiell unter einer Allgemeinen Bauaufsichtlichen Zulassung in Deutschland verwendet werden. Im Brückenbau besteht für diesen Stahl die Möglichkeit zur Anwendung an speziellen Konstruktionselementen, bei denen eine Reduzierung des Querschnitts erwünscht ist und nicht gleichzeitig die Einhaltung von Durchbiegungs- oder Stabilitätskriterien ein determinierendes Entwurfskriterium darstellt. Dies kann zum Beispiel im Stützbereich von Durchlaufträgern der Fall sein. 6. Schlussbemerkung Die Entwicklungen der Stahlproduzenten für den Stahlbau zielen darauf ab, gleichzeitig Stähle mit guten Verarbeitungseigenschaften, d.h. niedrigen Verarbeitungskosten, bei guten mechanischen Eigenschaftsprofil, wie es durch Streckgrenze und Zähigkeit definiert wird, anzubieten. Es bleibt anzumerken, dass die Anwendung solcher modernen Stähle in vielen europäischen Ländern eine weitere Anwendung erfahren als in Deutschland. Der deutsche Stahlbau kann durch den Einsatz dieser Produkte und die Ausnutzung ihrer Vorteile profitieren und seine Effizienz weiter steigern. [1] Hanus. F., Schütz, J. & Schütz, W. 22. One step further - 5 MPa yield strength steel for offshore constructions. Proceedings of 21st Intern. Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering Oslo (Norway).
7 [2] Hever, M. & Schröter, F. 23. Modern steel - High performance material for high performance bridges. 5th International Symposium on Steel Bridges, March 23, Barcelona: [3] Kuhlmann, U., Dürr, A. & Schröter, F. 25. Hochfeste Feinkornbaustähle - Anwendung im Stahlbau insbesondere unter der Berücksichtigung der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Konstruktionen. DVS-Berichte [4] Schröter, F. 24. Steels for modern steel construction and offshore applications. 1thNordic Steel Construction Conference, Copenhagen, June 24: [5] Schütz. W. & F Schröter, F. 25. Development of heavy steel plate for the "Mayflower Resolution" special purpose vessel for the erection of offshore wind towers. Materials Science and Engineering 21(5): [6] Sedlacek, G., Eisel, H., Paschen, M. & Feldmann, M. 22. Untersuchungen zur Baubarkeit der Rheinbrücke A 44, Ilverich und zur Anwendung hochfester Stähle, Stahlbau 71 (6):
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