METALLISCHE WERKSTOFFE

Transkript

1 C METALLISCHE WERKSTOFFE C.1 WICHTIGE METALLE IM BAUWESEN Werkstoffe: Stahl und Stahllegierungen, Gusseisen Aluminium und seine Legierungen Kupfer und seine Legierungen, Blei C.1.1 Stahl C Ausgangsstoffe Eisenerze enthalten - 7 M.-% Eisenoxide: Fe 3 O 4 Fe O 3 Fe O 3 3H O Magneteisenstein Roteisenstein Brauneisenstein und die sog. Gangart: SiO Al O 3 CaCO 3 MgO Zuschlag: Brennstoff: Kieselsäure Tonerde Kalkstein Magnesia. Prozessregulierende Stoffe z. B. Kalk meist Koks Die Reduktion der Eisenerze erfolgt im Hochofen. Durch Reaktion von Eisenerz, Koks, Zuschlag und Luft entstehen: Roheisen + Schlacke Das Roheisen wird weiterverarbeitet zu Gusseisen:,1 M.-% < C < 4,3 M.-% Stahl: C <,1 M.-% Teilweise Weiterverwendung der Schlacke zu: C.1.1. Hüttenzementen Hüttensteinen Hüttenbims Hüttenwolle. Stahlherstellung Das Roheisen ist insbesondere wegen seines zu hohen Gehaltes an Kohlenstoff sowie anderer Bestandteile, z. B. Phosphor und Schwefel, zu spröde und nicht schmiedbar. Bei der Stahlherstellung werden der C-Gehalt reduziert und die unerwünschten Bestandteile ausgeschieden. Dies geschieht durch Zufuhr von Sauerstoff (Frischen), der zu einem Verbrennen u. a. des Kohlenstoffs führt. Phosphor wird durch Zugabe von Kalk gebunden.

2 - 6 - Die wichtigsten Verfahren zur Stahlherstellung sind das Thomas-Verfahren (Windfrischverfahren) Siemens-Martin-Verfahren Sauerstoff-Aufblas-Verfahren Elektrostahl-Verfahren. Siehe dazu z.b. [C.1]. C Klassifizierung der Stähle Nach der europäischen Norm EN 1 werden die Stähle eingeteilt - nach der chemischen Zusammensetzung oder - nach Hauptgüteklassen. Es wird unterschieden zwischen unlegierten Stählen legierten Stählen Grundstähle - unlegierte Qualitätsstähle legierte Qualitätsstähle unlegierte Edelstähle legierte Edelstähle Unlegierte Grundstähle sind für eine Wärmebehandlung nicht geeignet. Die Erfüllung der an sie gestellten Güteanforderungen erfordert keine besonderen Maßnahmen bei der Herstellung. Solche Stähle kommen im wesentlichen nur zum Kaltbiegen in Betracht. Unlegierte Qualitätsstähle haben im Vergleich zu unlegierten Grundstählen schärfere oder zusätzliche Anforderungen zu erfüllen, z. B. bezüglich Sprödbruchempfindlichkeit, Korngröße oder Verformbarkeit. Zu den unlegierten Qualitätsstählen zählen die meisten Stähle für den Stahlbau nach DIN EN 15 sowie die Betonstähle. Unlegierte Edelstähle haben höhere Anforderungen bezüglich ihres Reinheitsgrades zu erfüllen. Sie sind meist für eine Vergütung oder Oberflächenhärtung bestimmt und erfüllen hohe Anforderungen bzgl. Verformbarkeit, Schweißeignung, Zähigkeit usw. Den unlegierten Edelstählen sind u.a. Spannbetonstähle zuzuordnen. Legierte Qualitätsstähle Sie entsprechen den unlegierten Qualitätsstählen, enthalten aber Legierungselemente, z. B. Cr, Cu, Mn, Mo, Ni, Ti u.a., um bestimmte Eigenschaften zu optimieren. Solche Stähle sind im allgemeinen nicht für eine Vergütung oder Oberflächenhärtung geeignet. Zu den legierten Qualitätsstählen gehören z. B. schweißbare Feinkornstähle für den Druckbehälter- und Rohrleitungsbau, Stähle für Schienen und für Spundwanderzeugnisse sowie warm- oder kaltgewalzte Flacherzeugnisse für schwierige Kaltverformungsarbeiten. Legierte Edelstähle Dies sind Stähle, denen durch eine genaue Einstellung ihrer chemischen Zusammensetzung sowie der Herstellungs- und Prüfbedingungen bestimmte Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften verliehen werden. Legierte Edelstähle sind u.a. wetterfeste Baustähle nach DIN EN 1155 und nichtrostende Baustähle.

3 C Allgemeine Baustähle Sie sind in DIN EN 15 genormt. Diese Norm enthält die Anforderungen an Langund Flacherzeugnisse aus warmgewalzten unlegierten Grund- und Qualitätsstählen entsprechend den nachfolgenden Tabellen. Die Bezeichnung der Stähle erfolgt entweder nach dem Mindestwert der Streckgrenze oder nach Werkstoffnummern. Die Stähle sind besonders beruhigt vergossen und besitzen daher wenige Seigerungen (Inhomogenitäten), was der Schweißbarkeit zugute kommt. Der Behandlungszustand kann unbehandelt oder normalgeglüht sein, wobei letzterer die Sprödbruchempfindlichkeit fördert. Da der Kohlenstoff, % beträgt, sind die Stähle problemlos schweißbar. Tabelle C.1.1: Chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse für Flacherzeugnisse und Langerzeugnisse 1) (Auszug DIN EN 15) nach EN17-1 Stahlsorte Kurzname nach EU 5-7 nach DIN 171 Kurzname nach EN 17- Werkstoffnummer Desoxidations- art S35JR S35JRG1 S35JRG S35JO S35JG3 S35JG4 Fe 36 B 6) Fe 36 B 6) Fe 36 B Fe 36 C Fe 36 D1 Fe 36 D St 37- USt 37- RSt 37- St 37-3 U St 37-3 N S185 Fe 31-6) St Freigestellt Freigestellt FU FN FN FF FF Stahlart 4) Massenanteile in %, max. C für Erzeugnis Nenndicken in mm Mn Si P S N )3) 16 > 16 4 > 4 5) BS BS BS BS QS QS QS S75JR S75JO S75JG3 S75JG4 Fe 43 B Fe 43 C Fe 43 D1 Fe 43 D St 44- St 44-3 U St 44-3 N FN FN FF FF BS QS QS QS,1,18,18,18,1,18,18,18,,18 7),18 7),18 7) 1,5 1,5 1,5 1, ,45,4,35,35,45,4,35,35,9,9 - - S355JR S355JO S355JG3 S355JG4 S355KG3 S355KG4 Fe 51 B Fe 51 C 9) Fe 51 D1 8) Fe 51 D 8) Fe 51 DD1 8) Fe 51 DD 8) - St 5-3 U St 5-3 N FN FN FF FF FF FF BS QS QS QS QS QS,4,,,,,,4, 9), 9), 9), 9), 9),4,,,,, 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6,55,55,55,55,55,55,45,4,35,35,35,35,45,4,35,35,35,35,9, E95 Fe 49- St FN BS ,45,45,9 E335 Fe 59- St FN BS ,45,45,9 E36 Fe 69- St FN BS ,45,45,9 1) Siehe 7.3 (DIN EN 15) ) Die angegebenen Werte dürfen überschritten werden, wenn je,1 % N der Höchstwert für den Phosphorgehalt um,5 % unterschritten wird; der Stickstoffgehalt darf jedoch einen Wert von,1 % in der Schmelzenanalyse nicht übersteigen. 3) Der Höchstwert für den Stickstoffgehalt gilt nicht, wenn der Stahl einen Gesamtgehalt an Aluminium von mindestens, % oder genügend andere stickstoffabbindende Elemente enthält. Dei stickstoffabbindenden Elemente sind in der Bescheinigung über Materialprüfungen anzugeben. 4) BS: Grundstahl; QS: Qualitätsstahl. 5) Bei Profilen mit einer Nenndicke > 1 mm ist der Kohlenstoffgehalt zu vereinbaren. Zusätzliche Anforderung 3. 6) Nur in Nenndicken 5 mm lieferbar. 7) Max., % C bei Nenndicken > 15 mm. 8) Siehe (DIN EN 15). 9) Max., % C bei Nenndicken > 3 mm und bei den KP-Sorten (Siehe DIN EN 15).,17,17,17,17,17,17,,,17,17,17,17 - -,,17,17,17 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1, ,45,45,45,4,35,35,45,45,45,4,35,35,9,7,9,9 - -

4 Der Desoxidationsart gibt Aufschluss über das Erschmelzungsverhalten bei der Stahlherstellung: Freigestellt: FU: FN: FF: Weitere Erläuterungen: nach Wahl des Herstellers unberuhigter Stahl unberuhigter Stahl nicht zulässig vollberuhigter Stahl S: Baustahl E: Maschinenbaustahl Ziffer: Mindeststreckgrenze in N/mm JR: 7 J Kerbschlagarbeit bei + C (Raumtemperatur) JO: 7 J Kerbschlagarbeit bei - C J: 7 J Kerbschlagarbeit bei - C G1: unberuhigte Stahlsorte G: beruhigte Stahlsorte G3: unterschiedliche Lieferbedingungen G4: unterschiedliche Lieferbedingungen Kohlenstoff ist das billigste und wirksamste Legierungselement, das durch die Roheisenherstellung bereits im Stahl vorhanden ist und durch Oxidation (Blasen) weitgehend entfernt wird. Die Zunahme des Kohlenstoffgehalts um,1 % bewirkt eine Zunahme der Zugfestigkeit um etwa 9 N/mm, der Streckgrenze um 4 bis 5 N/mm und eine Abnahme der Bruchdehnung um 4 %. Siliziumgehalte bis,3 % wirken sich bei ungeglühten Stählen günstig auf die Festigkeit und Zähigkeit aus. Bei vergüteten Stählen mit,5 bis,8 % Silizium wird die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit beim Härten herabgesetzt und die Anlassbeständigkeit erhöht. Mangan erhöht die Festigkeit und Zähigkeit des Ferritmischkristalls. Bei gleicher Festigkeit können,5 % Mn etwa,1 % C ersetzen, wobei die Schweißeignung jedoch verbessert wird. Durch Mangan wird die kritische Abkühlgeschwindigkeit vermindert, so dass es eher zu Härtungsgefügen kommt. Dieser Einfluss ist beim Vergüten ausgeprägter als beim Normalglühen. Schwefel, Phosphor und Stickstoff sind Stahlbegleiter, die zur Alterung und Versprödung führen. Sie müssen soweit wie möglich aus dem Stahl entfernt werden.

5 Tabelle C.1.: Mechanische Eigenschaften der Flacherzeugnisse und Langerzeugnisse (Auszug aus DIN EN 15) nach EN 17-1 Stahlsorte Kurzname Streckgrenze R eff, N/mm, min. 1) Zugfestigkeit R m, N/mm 1) nach EU 5-7 nach DIN 171 Kurzname nach EN 17- Werkstoffnummer Des- oxidations- Stahlart 3) art 16 > 16 4 > 4 63 für Nenndicken in mm S185 Fe 31- ) St Freigestellt BS bis 54 S35JR Fe 36 B ) St Freigestellt BS S35JRG1 Fe 36 B ) USt FU BS bis S35JRG Fe 36 B RSt FN BS S35JO Fe 36 C St 37-3 U FN QS S35JG3 Fe 36 D1 St 37-3 N FF QS S35JG4 Fe 36 D FF QS S75JR S75JO S75JG3 S75JG4 S355JR S355JO S355JG3 S355JG4 S355KG3 S355KG4 Fe 43 B Fe 43 C Fe 43 D1 Fe 43 D Fe 51 B Fe 51 C Fe 51 D1 Fe 51 D Fe 51 DD1 Fe 51 DD St 44- St 44-3 U St 44-3 N - - St 5-3 U St 5-3 N FN FN FF FF FN FN FF FF FF FF BS QS QS QS BS QS QS QS QS QS > 63 8 > 8 1 > 1 15 > 15 > bis bis 68 E95 Fe 49-4) St FN BS bis 66 E335 Fe 59-4) St FN BS bis 77 E36 Fe 69-4) St FN BS bis 9 für Nenndicken in mm 3 > bis bis bis bis bis bis bis 83 > 1 15 > bis 47 4 bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis 83 1) Die Werte für den Zugversuch in der Tabelle gelten für Längsproben, bei Band-, Blech- und Breitflachstahl in Breiten 6 mm für Querproben. ) Nur in Nenndicken 5 mm lieferbar. 3) BS: Grundstahl; QS: Qualitätsstahl. 4) Diese Stahlsorten kommen üblicherweise nicht für Profilerzeugnisse (I-, U-Winkel) in Betracht.

6 C Wetterfeste und nichtrostende Baustähle Wetterfeste Baustähle sind legierte Edelstähle. Sie sind in der Europäischen Norm EN 155 erfasst. Wetterfesten Stählen wird eine bestimmte Anzahl von Legierungselementen zugesetzt, z. B. P, Cu, Cr, Ni, Mo, Mn, um den Widerstand der Stähle gegen atmosphärische Korrosion zu erhöhen, indem sich unter dem Einfluss der Witterungsbedingungen schützende Oxidschichten auf dem Grundwerkstoff bilden. Einen Überblick der Zusammensetzung und der mechanischen Eigenschaften solcher Stähle geben die nachfolgenden Tabellen. Tabelle C.1.3: Chemische Zusammensetzung nach der Schmelzenanalyse Stahlsorte Bezeichnung Massenanteile in % Desoxi- Zusatz an nach nach dations- C Si Mn P S N stickstoffabbindenden EN 17-1 EN 17- art max. max. max. max. Elementen 1) S35JW FN,,4,9 )5) -,13,4 bis max.,4 S35JW FF,6,35 - ja S355JWP FN max.,4,9 5) -,1,75,6 bis S355JWP FF 1,,35 - ja,15 S355JW FN max.,4,4,9 )5) - S355JG1W FF,5 max.,35,35 - ja S355JGW FF,16,5 bis max.,35,35 - ja S355KG1W FF 1,5 max.,35,35 - ja S355KGW FF max.,35,35 - ja Cr Cu Sonstige 1) Die Stähle müssen mindestens eines der folgenden Elemente enthalten: Al gesamt:, %, Nb:,15 bis,6 %, V:, bis,1 % Ti:, bis,1 %. Wenn diese Elemente in Kombination angewendet werden, muss mindestens eines von ihnen mit dem angegebenen Mindestgehalt enthalten sein. ) Eine Überschreitung des angegebenen Höchstwertes ist zulässig, wenn je,1 % N ein um,5 % unter dem festgelegten Höchstwert liegender Phosphorgehalt eingehalten wird. Der Stickstoffgehalt darf jedoch einen Wert von,1 % in der Schmelzenanalyse nicht übersteigen. 3) Die Stähle dürfen max.,65 % Ni enthalten. 4) Die Stähle dürfen max.,3 % Mo und max.,15 % Zr enthalten. 5) Der Höchstwert für den Stickstoffgehalt gilt nicht, wenn die Stähle mindestens, % Al gesamt oder genügende Gehalte an anderen stickstoffabbindenden Elementen aufweisen. Die stickstoffabbindenden Elemente sind in der Prüfbescheinigung anzugeben.,4 bis,8,3 bis 1,5,4 bis,8,5 bis,55,5 bis,55,5 bis,55 3) 3) 3)4) Zur Erläuterung der Bezeichnungen siehe Abschnitt C Weitere Erläuterungen: W: Kennzeichnung der Wetterfestigkeit des Stahls P: Kennzeichnung des erhöhten Phosphorgehaltes, nur bei S355

7 Tabelle C.1.4: Mechanische Eigenschaften der Flach- und Langerzeugnisse Stahlsorte Bezeichnung Streckgrenze R 1) eh (N/mm ) min. Nach EN 17-1 nach EN für Nenndicken in mm > 16 4 > 4 63 > 63 8 > 8 1 Zugfestigkeit R 1) m (N/mm ) für Nenndicken in mm 3 > 3 1 Pro- benlage 1) Bruchdehnung 1) (%) min. L = 8 mm Nenndicken in mm 1,5 >,5,5 3 L = 5,65 S Nenndicken in mm S35JW bis 34 bis l S35JW t S355JWP ) 51 bis 49 bis l S355JWP t S355JW S355JG1W bis 49 bis l S355JGW t S355KG1W S355KGW ) Die in der Tabelle angegebenen Werte des Zugversuches gelten für Längsproben (l) außer bei Band, Blech Breitflachstahl > 6 mm Breite, aus denen Querproben (t) zu entnehmen sind. ) Dieser Wert kommt nur für Profile und Stabstahl in Betracht 3 4 > 4 63 > 63 1 Die Bezeichnung der Stähle erfolgt entweder nach der Zugfestigkeit und Gütegruppen oder nach Werkstoffnummern. Nichtrostende Stähle sind in Deutschland auch unter bestimmten Werksnamen, z. B. VA, V4A, Nirosta und Remanit bekannt. Sie werden in verschiedenen deutschen Normen oder in bauaufsichtlichen Zulassungen behandelt. C Schweißgeeignete Feinkornbaustähle, hochfeste Baustähle Dies sind Qualitäts- und Edelstähle, die aufgrund ihres Gefüges und ihrer chemischen Zusammensetzung besonders schweißgeeignet sind. Sie werden in der europäischen Norm EN 1113 bezüglich ihrer Herstellung, mechanischen Eigenschaften und Prüfung klassifiziert. Hohe Festigkeiten werden im Allgemeinen mit Feinkornbaustählen erreicht. Diese sind in DIN EN 1113 definiert. Einige Stähle mit noch höheren Festigkeiten sind nicht genormt, sondern bauaufsichtlich zugelassen. Zunächst kommt es darauf an, dass die Möglichkeit der Festigkeitserhöhung mit bestimmten Anforderungen und Gefügen ü- berhaupt gegeben ist. Gerade für diese Stähle benötigt man eine ausreichende Zähigkeit, um dem Trennbruch (Kerbwirkung) entgegen zu wirken, sowie häufig anwendungsbedingt eine gute Schweißeignung. Die Erhöhung der Streckgrenze kann sehr vereinfacht als Summe einzelner Mechanismen ausgehend von einer Grundfestigkeit aufgefasst werden, wobei die Anteile nicht immer rein additiv sind. Dem idealen Kristall ist die Grundfestigkeit zugeordnet. Einen deutlichen Beitrag zur Festigkeitssteigerung bei guter Zähigkeit leistet die Feinkornhärtung (Korngrenzen als Hindernisse). Die Festigkeitssteigerung beruht auf der Hemmung der Versetzungsbewegung durch die Großwinkelkorngrenzen eines sehr dichten Gefüges aus kleinen Körnern. Den weitaus größten Beitrag zur Festigkeitssteigerung liefert die Ausscheidungshärtung (Teilchenhärtung). Dieser Mechanismus beruht prinzipiell darauf, daß sich beim Abkühlen und Anlassen aus geringsten Legierungszusätzen sehr kleine, sehr harte Carbide (Teilchen) bilden. Es kommt zu einer Wechselwirkung von Versetzungen und Teilchen (siehe Kapitel C.4). Durch die große Härte sind die Teilchen kaum verformbar und nehmen selber an plastischen Verformungen nicht teil. Eine Versetzung kann sich hinter den Teilchen wie-

8 der schließen oder muss dieses umfließen. Dadurch wird die Versetzungsbewegung behindert, bzw. es werden neue Versetzungen ausgelöst (siehe Kapitel C.4). Der normalgeglühte und thermomechanisch behandelte Feinkornbaustahl hat eine obere Streckgrenze R eh 5 N/mm und ein ferritisches-perlitisches Gefüge (vgl. Tabelle C.1.4). Der vergütete Feinkornbaustahl hat eine Streckgrenze von R eh = 5 bis 7 N/mm und besteht aus einem Gefüge aus angelassenem Martensit (evtl. mit Bainit). Tabelle C.1.5: Eigenschaften einiger hochfester, schweißgeeigneter Feinkornbaustähle, normalgeglüht, nach DIN EN 1113, Teil C Betonstähle Klassifizierung Die Betonstähle dienen der Bewehrung des Betons und führen zu Stahlbetonkonstruktionen. Diese Stähle gehören zur Gruppe der unlegierten Qualitätsstähle. In Deutschland sind sie in DIN 488 Teil 1 genormt. Weitere Angaben dazu finden sich in der DIN Alle in diesen Normen erfassten Stähle sind schweißgeeignet. Sie werden in Verarbeitungsformen hergestellt und geliefert: - als Betonstabstahl: die Sorten III S und IV S - als Baustahlmatten: die Sorte IV M. Da alle Betonstähle schweißbar sein müssen, und zwar mit möglichst allen Schweißverfahren, ist der C-Gehalt auf, % begrenzt. Die hohe Streckgrenze wird entweder erreicht durch Zugabe von Silizium (Si) und Mangan (Mn) und geringen Mengen von Niob (Nb) und/oder Vanadium (V), die zur Kornfeinung beitragen. Eine andere Methode ist die Kaltverformung durch Tordieren, wodurch die Versetzungsdichte erhöht wird. Ein dritter Weg ist die Abkühlung mit geregelter Temperaturführung aus der Walzhitze.

9 Tabelle C.1.6: Sorteneinteilung und Eigenschaften der Betonstähle (Auszug DIN 488, Teil 1) Beton- Kurzname B St 4 S B St 5 S B St 5 M ) Wert stahl- Kurzzeichen 1) III S IV S IV M P sorte Werkstoff % 3) Erzeugnisform Betonstabstahl Betonstabstahl Betonstahlmatte ) 1 Nenndurchmesser d S (mm) 6 bis 8 6 bis 8 4 bis 1 4) - Streckgrenze R S (β S ) 5) bzw., % Dehngrenze R p, (β, ) 5) (N/mm ) , 3 Zugfestigkeit R m (β Z) 5) (N/mm ) 5 6) 55 6) 55 6) 5, 4 Bruchdehnung A 1 (d 1) 5) (%) , 5 Dauerschwingfestigkeit (N/mm ) Schwingbreite gerade Stäbe 7) σ A (. 1 6 ) , 6 gebogene Stäbe σ A (. 1 6 ) , 7 gerade freie Stäbe von σ A (. 1 6 ) , 8 Matten mit Schweißstelle σ A (. 1 5 ) - - 1, 9 Rückbiegeversuch mit 6 bis 1 5d S 5d S - 1, 1 Biegerollendurchmesser für 14 und 16 6d S 6d S - 1, 11 Nenndurchmesser d S (mm) bis 8 8d S 8d S - 1, 1 Biegedorndurchmesser beim Faltversuch an der Schweißstelle - - 6d S 5, 13 Knotenscherkraft S (N) - -,3. A S. Re 5, 14 Unterschreitung des Nennquerschnittes A S 8) 15 Bezogene Rippenfläche f R siehe DIN 488 Teil (%) , siehe DIN 488 Teil siehe DIN 488 Teil 4 16 Chemische Zusammen- C, (,4), (,4),15 (,17) - 17 setzung bei der Schmelzen- P,5 (,55),5 (,55),5 (,55) - 18 und Stückanalyse 9) S,5 (,55),5 (,55),5 (,55) - 19 Massengehalt in %, max. N 1),1 (,13),1 (,13),1 (,13) - Schweißeignung für Verfahren 11) E, MAG, GP, RA, E, MAG, GP, RA, E 1), MAG 1), RP RP RP - 1) Für Zeichnungen und statische Berechnungen. ) Mit den Einschränkungen nach Abschn. 8.3 gelten die in dieser Spalte festgelegten Anforderungen auch für Bewehrungsdraht. 3) p-wert für eine statistische Wahrscheinlichkeit W = 1 - a =,9 (einseitig) (siehe auch Abschn. 5..). 4) Für Betonstahlmatten mit Nenndurchmessern von 4, und 4,5 mm gelten die in Anwendungsnormen festgelegten einschränkenden Bestimmungen; die Dauerschwingfestigkeit braucht nicht nachgewiesen zu werden. 5) Früher verwendete Zeichen. 6) Für die Istwerte des Zugversuches gilt, dass R SS min. 1,5. R e (bzw. R p,), beim Betonstahl B St 5 M mit Streckgrenzenwerten über 55 N/mm² min. 1,3. R e (bzw. R p,) betragen muss. 7) Die geforderte Dauerschwingfestigkeit an geraden Stäben gilt als erbracht, wenn die Werte nach Zeile 5 eingehalten werden. 8) Die Produktion ist so einzustellen, dass der Querschnitt im Mittel mindestens dem Nennquerschnitt entspricht. 9) Die Werte in Klammern gelten für die Stückanalyse. 1) Die Werte gelten für den Gesamtgehalt an Stickstoff. Höhere Werte sind nur dann zulässig, wenn ausreichende Gehalte an stickstoffabbindenden Elementen vorliegen. 11) Die Kennbuchstaben bedeuten: E: Metall-Lichtbogenhandschweißen; MAG: Metall-Aktivgasschweißen; GP: Gaspressschweißen; RA: Abbrennstumpfschweißen; RP: Widerstandspunktschweißen 1) Der Nenndurchmesser der Mattenstäbe muss mindestens 6 mm beim Verfahren MAG und mindestens 8 mm beim Verfahren E betragen, wenn Stäbe von Matten untereinander oder mit Stabstählen 14 mm Nenndurchmesser verschweißt werden. Für werkmäßig hergestellte Bewehrungen wird auch der sog. Bewehrungsdraht BSt 5 G (glatt) und BSt 5 P (profiliert) hergestellt.

10 - 7 - Rippung Zur Verbesserung der Verbundeigenschaften zwischen Bewehrung und Beton sind die Betonstähle an ihrer Oberfläche mit Rippen versehen, die für die verschiedenen Stahlsorten unterschiedlich sind. Seite 1 Seite Seite 1 Seite ( ( 6 ( ( 6 e C s1 Cs a) ohne Längsrippen b) mit Längsrippen b l hl Abb. C.1.1: Nicht verwundener Betonstabstahl BSt 4 S mit und ohne Längsrippen Ganghöhe ( ( 35 Abb. C.1.: Kalt verwundener Betonstahl BSt 4 S ( 1 ( 65 bis 7 ( 3 ( 6 e ( ( 45 bis 6 cs c s a) ohne Längsrippen b) mit Längsrippen b l h l Abb. C.1.3: Nicht verwundener Betonstabstahl BSt 5 S mit und ohne Längsrippen

11 (3 ( 35 ( ( 4-45 ( 1 ( 6-65 Ganghöhe Abb.C.1.4: Kalt verwundener Betonstahl BSt 5 S Betonstabstähle können nach folgenden Verfahren hergestellt werden: warmgewalzt, ohne Nachbehandlung warmgewalzt, an der Walzhitze wärmebehandelt (z. B. Tempcore-Stähle) kaltverformt, durch Verwinden oder Recken des warmgewalzten Ausgangsmaterial. C Spannstähle Spannstähle werden beim Bau von vorgespannten Betonkonstruktionen eingesetzt. Im Vergleich zu Betonstählen besitzen sie im Allgemeinen eine deutlich höhere Zugfestigkeit und Streckgrenze. Sie gehören meist zur Gruppe der unlegierten Edelstähle. In Deutschland sind die Spannstähle zur Zeit nicht in einer Norm erfasst, sondern sie benötigen eine bauaufsichtliche Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik. Die Spannstähle unterscheiden sich in den mechanischen Eigenschaften, den Arten der Herstellung (gereckt, kaltgezogen, vergütet), der Profilierung (glatt, gerippt, Drähte zu Litzen verseilt), der Verankerungsart (Endverankerung oder über Verbund) und in den Querschnittsabmessungen. Da Spannstähle einen Kohlenstoffgehalt von etwa,5 % besitzen, sind sie nicht schweißbar (Schweißbarkeit für C, % bei herkömmlichen Verfahren). Gleichzeitig sind sie aufgrund der massiven Festigkeitssteigerung durch Kaltverformen sehr empfindlich für jede Art von Wärmeeinwirkungen, also Funkenflug bei Trennarbeiten, Schweißarbeiten in unmittelbarer Nähe usw., da die Wirkungen der Kaltverformung z.t. rückgängig gemacht werden bzw. es zu einer Versprödung kommen kann. Dies gilt auch für punktuelle Wärmeeinwirkung. Die Art der Festigkeitssteigerung bedingt eine geringere Zähigkeit als Baustähle sie aufweisen. Dadurch werden sie zusammen mit den extrem hohen Vorspannkräften auch sehr empfindlich gegen Beschädigungen der Oberfläche (Kerbwirkung), wodurch es zu Sprödbrüchen (Versagen ohne Vorankündigung) kommen kann. Die zugelassenen Spannstähle weisen Streckgrenzen/Zugfestigkeiten im Bereich 835/13 N/mm bis 157/177 N/mm bei Bruchdehnungen von ca. 6 % auf.

12 - 7 - C Eigenschaften der Stähle des Bauwesens Strukturunabhängige Eigenschaften Elastizitätsmodul E - 1 N/mm Schubmodul G 81 N/mm Dichte je nach C-Gehalt 7,83-7,88 kg/dm 3 Wärmeausdehnungskoeffizient je nach C-Gehalt 1,7-11, /K Wärmeleitfähigkeit Festigkeit 4 W/(m K) Reines Eisen β z : 18 N/mm Baustähle 3-7 N/mm Spannstähle: 6 - N/mm Kaltgezogene Stahldrähte: - 4 N/mm Dauerstandfestigkeit Baustähle zeigen bei Raumtemperatur kein Absinken der Festigkeit unter langandauernder statischer Beanspruchung, so dass die Dauerstandfestigkeit etwa gleich der Kurzzeitfestigkeit ist. Kriechen und Relaxation Allgemeine Baustähle zeigen bei normaler Temperatur und Spannungen unterhalb der Streckgrenze keine nennenswerten Kriechverformungen. Bei hochfesten Spannstählen können jedoch auch bei Normaltemperatur deutliche Kriechverformungen auftreten (siehe Teil C.3.1). Dauerschwingfestigkeit Siehe Teil C.5.6. Stoffgesetze In DIN wird zwischen den Spannungs-Dehnungslinien für die Schnittgrößenermittlung und für die Querschnittsbemessung unterschieden. Die Festlegungen und konstruktiven Regeln in dieser Norm beziehen sich auf schweißgeeignete, gerippte Baustähle mit einer charakteristischen Streckgrenze von f yk = 5 N/mm. Sofern relevant, gelten diese Eigenschaften gleichermaßen für Zug- und Druckbeanspruchung.

13 idealisierter Verlauf Abb. C.1.5: Spannungs-Dehnungslinie des Betonstahls für die Schnittgrößenermittlung Die Bemessung ist auf der Grundlage der Nennquerschnittsfläche und des Nenndurchmessers unter Ansatz der idealisierten Spannungs-Dehnungslinie nach Abb. C.1.6 durchzuführen. Vereinfachend darf auch ein horizontaler oberer Ast der Spannungs-Dehnungslinie angenommen werden. Für die Querschnittsbemessung ist f tk, cal mit 55 N/mm anzusetzen und die Stahldehnung ε s auf den Wert ε su =,5 zu begrenzen. Die Stoffgesetze für Spannstähle in DIN sind ähnlich den entsprechenden Stoffgesetzen für Betonstahl. Bei Spannstählen wird jedoch die,1% Dehngrenze als charakteristischer Wert definiert (anstatt der, %-Dehngrenze, wie bei Betonstahl). Abb. C.1.6: Rechnerische Spannungs-Dehnungslinie des Betonstahls für die Bemessung

14 Soweit in den Normen der Reihe DIN 488 oder in den allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen nicht abweichend festgelegt, dürfen für die Bemessung folgende physikalische Eigenschaften des Betonstahls angenommen werden: Elastizitätsmodul: E s = N/mm Wärmedehnzahl: α = K -1 Plastische Verformbarkeit Die plastische Verformbarkeit der Betonstähle sinkt mit steigender Zugfestigkeit. St 157/177 St 147/167 St 14/157 St 18/13 St 835/13 BSt 5 BSt 4 l = 1d Abb. C.1.7: Spannungs-Dehnungslinien von Betonstählen Literatur: [C.1] [C.] DIN EN 15 : 199, Warmgewalzte Erzeugnisse aus unlegierten Baustählen DIN EN 17-1 : 199, Bezeichnungssysteme für Stähle [C.3] BARGEL, H.J., SCHULZE, G.: Werkstoffkunde, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1994 [C.4] DIN 145-1:1-7, Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton, Teil1: Bemessung und Konstruktion [C.5] WESCHE, K.: Baustoffe für tragende Bauteile, Band 1: 3. Aufl. 1996; Band : 3.Aufl. 199; Band 3:. Aufl. 1985; Band 4:.Aufl. 1988, Bauverlag, Wiesbaden

15 C.1. Gusseisen Charakteristische Zusammensetzung:,1 M.-% < C < 4,3 M.-%. C.1..1 Klassifizierung des Gusseisens Bezeichnung nach der Zugfestigkeit in N/mm und der Herstellungsart: (GS: Stahlguss) GG: Grauguss TG: Temperguss GGG: Grauguss mit Kugelgraphit Beispiel: GS-45: Stahlguss mit einer Mindestzugfestigkeit von 45 N/mm C.1.. Eigenschaften von Gusseisen GG GGG Elastizitätsmodul Dichte 7,8 kg/dm 3 Zugfestigkeit Streckgrenze Bruchdehnung Druckfestigkeit < 1 % N/mm 5-4 N/mm - 15 % 7-13 N/mm Spannung [N/mm²] GG-5 GGG-7 GGG Dehnung [%] C.1.3 Aluminium C Ausgangsstoffe Aluminium ist das weitverbreitetste Metall der Erdkruste. Es ist im Allgemeinen stark chemisch gebunden. Häufigstes Erz: Bauxit mit einem Gehalt an Al O 3 von 55 bis 65 M.-%. Gewinnung von Aluminium: (1) Aufbereitung des Aluminiumerzes zur Abtrennung von Al O 3 (Bayerverfahren) () Gewinnung von Aluminium aus Al O 3 im Elektrolyseofen.

16 Einsatz von Aluminium in Form von Legierungen Wichtigste Legierungskomponenten: Cu, Mg, Mn, Si, Zn Weniger häufig: Ni, Fe, Co, Ti, Cr C.1.3. Klassifizierung und Bezeichnungen Die Bezeichnung der Aluminiumlegierungen erfolgt nach der chemischen Zusammensetzung unter Angabe von Legierungsmengen. Kennbuchstaben werden zur Beschreibung des Herstellungsverfahrens verwendet. Bei den Aluminiumlegierungen wird unterschieden zwischen: Knetlegierungen, die durch Kneten (Walzen, Pressen, Ziehen, Schmieden) weiter verformt werden können, und Gusslegierungen, die nach den verschiedenen Gießverfahren verarbeitet werden: G = Guss DG = Druckguss GK = Kokillenguss KZ = Schleuderguss Der Angabe der Festigkeit wird der Buchstabe F vorangestellt. Beispiele: AlMg 3 Si Aluminiumknetlegierung mit bis 4 M.-% Mg (i.m. 3 M.-%) sowie kleinen Mengen an Si (,3 bis,8 M.-%) G-Al Si 1 Aluminium-Gusslegierung mit 11 bis 13,5 M.-% Si (i.m. 1 M.-%) Beide Legierungen enthalten kleine Mengen (,3 bis,5 M.-%) an Mangan. Al Zn Mg 1 F 36 Al-Zn-Mg-Legierung, Zugfestigkeit 36 N/mm Eigenschaften Elastizitätsmodul 6-7 N/mm Dichte,7 -,8 kg/dm 3 Wärmeausdehnungskoeffizient 3 bis /K Schmelzpunkt von reinem Al 66 C Festigkeit und Verformung einiger häufig verwendeter Legierungen: Legierung nach DIN 175, Blatt 1 Festigkeitseigenschaften für Bleche Rohre Profile Bemerkungen AlCuMg 1 F37 - F4 F38 - F4 F4 kalt ausgehärtet AlCuMg F41 - F44 F43 - F44 F44 kalt ausgehärtet AlMgSi 1 F8 F8 F8 warm ausgehärtet AlMgSi 1 F3 F3 F3 warm ausgehärtet AlMg 3 oder AlMgMn F3 F3 F18 nicht aushärtbar AlMn F9 - F nicht aushärtbar

17 Spannungs-Dehnungslinien verschiedener Aluminiumlegierungen: Spannung (N/mm²) 8 AlZnMgCu1,5 F5 6 AlCuMg1 F4 4 AlMgSi1 F AlMn F1 Al99,5 F Dehnung (%) C. ELASTISCHE VERFORMUNGEN METALLISCHER WERKSTOFFE Bedeutung: (a) Abschätzen elastischer Formänderungen von Bauwerken (b) Bestimmung der Schnittkraftverteilung in statisch unbestimmten Systemen C.. Elastizität C...1 Werkstoffkenngrößen (siehe auch Kap. A.5.1.3) Der Elastizitätsmodul linear-elastisches Verhalten nicht linear-elastisches Verhalten σ σ α 3 tan α = E = σ / ε E(σ) = σ / ε α α 1 α ε ε

18 Linear elastische Werkstoffe folgen dem Hooke schen Gesetz, das den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung wiedergibt: σ = E. ε Bei nicht linear-elastischen Werkstoffen ist der Elastizitätsmodul nicht konstant: Daher Unterscheidung zwischen: σ = E(σ). ε Ursprungsmodul α 1 : Sekantenmodul α : Tangentenmodul α 3 : Neigung der Spannungs-Dehnungs-Linie im Ursprung. Neigung der Sekante zwischen dem Ursprung und einem bestimmten Punkt auf der Spannungs-Dehnungs-Linie. Neigung der Spannungs-Dehnungs-Linie bei einer bestimmten Spannung. Querdehnungszahl Die Querdehnung eines einachsig beanspruchten Werkstoffes wird durch die Querdehnungszahl (Poisson'sche Zahl) ν beschrieben: ε ν = ε q = l Querdehnung Längsdehnung Abschätzung der Grenzwerte der Querdehnungszahl aus der Volumendehnung: F Volumen vor der Belastung: V = a. b. c Volumen nach der Belastung: a V + V = (a + a)(b + b)(c + c) Mit ε l a = und a ε q b c = = b c b erhält man die Volumenänderung c F V = a. b. c. ε l. (1-ν) V V = ε v = ε l ( 1 ν) Die Volumendehnung ist dann: Unterer Grenzwert der Querdehnungszahl, ν ν = d. h. keine Querdehnung, die Volumendehnung wird zu einem Maximum Oberer Grenzwert der Querdehnungszahl, ν ν =,5 ε v = d. h. das Volumen der Probe bleibt konstant. Bei ν >,5 würde bei einer Zugbelastung eine Volumenverminderung, bei einer Druckbelastung ein Volumenzuwachs auftreten.

19 Schubmodul Der Schubmodul gibt den Zusammenhang zwischen der Schubspannung und der durch sie verursachten Verzerrung wieder: l γ tgγ l τ G = γ Bei linear elastischen Werkstoffen besteht zwischen Elastizitätsmodul und Schubmodul folgender Zusammenhang: G = E 1 ( + ν) Elastische Dehnung bei mehrachsiger Beanspruchung Wirken auf einen Körper gleichzeitig Spannungen in verschiedenen Richtungen, so können die in den Hauptrichtungen auftretenden Dehnungen durch Superposition der Dehnungen aus den einzelnen Spannungen ermittelt werden (erweitertes Hooke sches Gesetz): σx σy σz σz σx σy ε ε ε x y z 1 = { σ E 1 = { σ E 1 = { σ E x y z ν ( σ ν ( σ ν ( σ y x x + σ + σ + σ z z y )} )} )} Kennwerte für die Metalle Bei Stahl, Aluminiumlegierungen und Gusseisen können E; G; ν bis zu ca.,9. β S konstant angenommen werden. Im Bereich des elastischen Verhaltens ist ν 1/3. Für plastische Verformungen ist ν 1/. C... Einflüsse auf den E-Modul C...1 Einfluss der Werkstoffstruktur Der E-Modul eines Werkstoffes hängt von der Bindungsenergie zwischen den A- tomen ab (siehe Teil B..5). Eine deutliche Veränderung des E-Moduls durch Beeinflussung der Mikrostruktur, z. B. bei Veränderung der Kristallfehlerdichte ist daher nicht möglich. C... Einfluss anderer Komponenten Besteht ein Werkstoff aus verschiedenen Komponenten, so kann der Elastizitätsmodul E aus den Verformungseigenschaften der Einzelkomponenten und deren Volumenanteil rechnerisch ermittelt werden (siehe auch Kap. G).

20 - 8 - Grenzfall 1 Grenzfall E ; v E 1 ; v 1 E ; v E 1 ; v 1 da ε 1 = ε, ist da σ 1 = σ, ist E = v 1. E1 + (1-v 1 ). E 1 v1 1 v = + E E E 1 1 wobei v 1 ; v = Volumenkonzentration der Komponente "1" bzw. "" E 1 ; E = Elastizitätsmodul der Komponente "1" bzw. "" Beispiel einer Metallegierung (Blei-Zinn) 6 E (N/mm²) 4 35 Temperatur ( C) 3 5 α L + α Schmelze L + β β α + β Pb Sn in M.-% Sn C...3 Umwelteinflüsse Der Elastizitätsmodul der meisten Werkstoffe ist temperaturabhängig: mit steigender Temperatur wächst die Verformbarkeit, d. h. der Elastizitätsmodul des Werkstoffes fällt ab: E-Modul (N/mm²) 5 15 Kupfer Eisen 1 Aluminium 5 Magnesium Temperatur ( C)

21 C..3 Anelastizität Verzögert elastische Verformung Definition: Dehnung, ε σ = konstant Zeitabhängige Entwicklung der elastischen Verformung bei Belastung. Zeitabhängige Verformung nach Entlastung Zeit, t Ursachen der Anelastizität bei metallischen Werkstoffen: Der thermoelastische Effekt Diffusion von Fremdatomen σ schnelle Belastung langsame Beoder Entlastung schnelle Entlastung ε Fremdatom Beachte: Bei Metallen ist die anelastische Verformung meist vernachlässigbar. Dies gilt nicht für Kunststoffe und Beton. C.3 PLASTISCHE VERFORMUNG DER METALLE C.3.1 Definitionen Plastische Verformung: spannungsabhängige und bleibende (irreversible) Verformung eines Werkstoffes (siehe C.5.1.3) Kriechen: zeitabhängige, plastische Verformung eines Werkstoffes unter einer konstanten Dauerlast; bei manchen Werkstoffen kann das Kriechen auch einen zeitabhängig reversiblen Anteil haben (Anelastizität),(siehe C und C..) Viskose Verformung: zeitabhängige, bleibende Verformung eines Werkstoffes mit viskosen Eigenschaften. Für Werkstoffe mit den Eigenschaften einer Newtonschen Flüssigkeit ergibt sich unter einer konstanten Spannung ein linearer Anstieg der Verformung mit der Zeit. C.3. Bedeutung der plastischen Verformbarkeit eines Werkstoffes In den meisten praktischen Anwendungsfällen ist die plastische Verformbarkeit eines Werkstoffes bei hohen Spannungen eine erwünschte Werkstoffeigenschaft: a) Plastische Verformbarkeit ist Voraussetzung für die Formgebung eines Werkstückes durch Ziehen, Strecken, Walzen etc.

22 - 8 - b) Bei der Verwendung plastisch verformbarer Werkstoffe kündigt sich ein bevorstehender Bruch bei Überbelastung durch große Verformungen, z. B. Durchbiegungen, an. c) Die Biegetragfähigkeit eines Querschnitts aus einem plastisch verformbaren Werkstoff ist größer als die eines Querschnitts mit linear elastischem Verhalten. d) In statisch unbestimmten Tragsystemen treten bei Verwendung plastisch verformbarer Werkstoffe Momentenumlagerungen auf, die zu einer Erhöhung der Tragfähigkeit des Gesamtsystems führen. e) Plastisch verformbare Werkstoffe sind weniger kerbempfindlich als spröde Werkstoffe, weil die plastische Verformbarkeit zu einem Abbau örtlicher Spannungsspitzen führt. Beachte: Ein Werkstoff kann sich unter bestimmten Bedingungen plastisch verhalten, bei geänderten Bedingungen kann er jedoch spröde sein. Bedingungen, welche die plastische Verformbarkeit eines Werkstoffes reduzieren, sind insbesondere - mehrachsige Beanspruchungen, - hohe Dehngeschwindigkeiten, - tiefe Temperaturen. C.3.3 Mechanismen der plastischen Verformung von Metallen a) Verschiebung bzw. Gleitungen entlang bestimmter charakteristischer Kristallebenen, die vorzugsweise dichtest gepackt sind. F F b) Zwillingsbildung, d. h. Umklappen eines Teils eines Kristallgitters um eine Spiegelebene F } Zwillingslamelle F c) Korngrenzenverschiebung τ τ τ τ

23 C.3.4 Theoretische Schubfestigkeit Fragestellung: Welche Kräfte sind erforderlich, um zwei Atomebenen, entsprechend dem Mechanismus C.3.3.a, gegeneinander zu verschieben. Eine Reihe von Atomen wird durch eine Schubspannung τ gegenüber einer anderen Reihe von Atomen nach rechts verschoben. Die zur Verschiebung erforderliche Schubspannung τ steigt zunächst mit wachsender Verschiebung d. Liegt das Atom 1 genau zwischen den Atomen und 4, stellt sich ein labiler Zustand ein. Die Schubspannung zur Aufrechterhaltung dieser Lage ist daher, die potentielle E- nergie erreicht ein Maximum. d 1 3 γ 4 τ τ τ Die Größe der höchsten, zum Verschieben erforderlichen Schubspannung τ max kann wie folgt bestimmt werden: τ = τ max τ = G γ πδ sin d für kleine Winkel ist δ γ tg γ d τ max τ max δ Verschiebung πδ πδ πδ sin tg d d d δ G γ = G = τ d max πδ d W τ τ max G π δ Verschiebung mit E G = (1 + ν) E,5 ist τ max E 15 für Stahl ist E =, N/mm und τ max 14 N/mm. Die theoretische Schubfestigkeit von Metallen ist also meist wesentlich höher als die in Versuchen tatsächlich beobachtete Schubfestigkeit. C.3.5 Plastische Verformungen als Folge von Versetzungsbewegungen Plastische Verformungen von Metallen bei Spannungen, die wesentlich kleiner als die theoretische Schubfestigkeit sind, werden durch Kristallfehler, insbesondere die Bewegung von Versetzungen, ausgelöst. C Versetzungsarten Es wird unterschieden zwischen: - Stufenversetzungen - Schraubenversetzungen - Gemischte Versetzungen

24 Stufenversetzung Burgers-Vektor b Schraubenversetzung Burgers-Umlauf Burgers-Vektor b Versetzungslinie Gemischte Versetzungen setzen sich aus einer Stufen- und einer Schraubenkomponente zusammen. Betrag und Richtung der Verzerrung des Kristallgitters, die zu einer Versetzung führten, werden durch den sogenannten Burgers-Vektor beschrieben. Im Zentrum der Verzerrung liegt eine Versetzungslinie. Stufenversetzung: Schraubenversetzungen: Gemischte Versetzungen: Die Versetzungslinie steht senkrecht zu b Die Versetzungslinie ist parallel zu b Versetzungslinie und b schließen einen Winkel zwischen und 9 ein. C.3.5. Verformungsvorgang durch eine Versetzungsbewegung Eine Schubspannung τ, die in Richtung des Burgers schen Vektors wirkt, löst eine Bewegung von Versetzungen aus. Bei einer Stufenversetzung ist die Bewegungsrichtung der Versetzungslinie und des Burgers schen Vektors bzw. die Schubspannung zueinander parallel, bei einer Schraubenversetzung stehen sie aufeinander senkrecht. Der Bewegungsablauf einer Stufenversetzung kann wie folgt dargestellt werden: (a) Bewegungsrichtung (b)

25 τ τ τ τ 7 τ 7 τ Als Folge einer Schubspannung τ wird die Atomreihe gegen die Atomreihe 4-5 verschoben, bis Atom über Atom 5 steht. Bildung einer durchgehenden Kristallebene der Atome Die Stufenversetzung ist um einen Gitterparameter nach rechts gerückt Folgerung: In einem fehlerfreien Kristall werden beim Gleiten zweier Ebenen alle Atome gleichzeitig gegeneinander verschoben. Beim Gleiten von Ebenen eines durch eine Stufenversetzung gestörten Systems wird nacheinander jeweils nur eine Reihe von Atomen verschoben, so dass die zum Gleiten erforderliche Schubspannung in Systemen mit Versetzungen wesentlich kleiner ist als in fehlerfreien Kristallen. Der Vorgang wiederholt sich, bis die Versetzung aus dem Kristallgitter gewandert ist. Es entsteht eine Gleitstufe. Gleitstufe = plastische Verformung = Betrag des Burgers schen Vektors. Das Verbleibende Kristallgitter ist fehlerfrei C Eigenschaften von Versetzungen I. Versetzungen erzeugen ein Spannungsfeld Druck Zug Scherung Die potentielle Energie im Kristall ist daher in der Nähe einer Versetzung erhöht. Folge: Vor allem bei erhöhter Temperatur reduziert sich durch Diffusion die Versetzungsdichte. II. Versetzungen beeinflussen sich gegenseitig Gleiche Ebenen: gleiche Versetzungen D D stoßen sich ab Z Z ungleiche Versetzungen D Z ziehen sich an und heben sich auf Z D

26 Benachbarte Ebenen: gleiche Versetzungen D Z D Z stoßen sich ab oder ziehen sich an, je nach Abstand ungleiche Versetzungen D Z Z D ziehen sich an und heben sich auf; Bildung einer Leerstelle III. Versetzungen sind in dichtest gepackten Ebenen und Richtungen am leichtesten beweglich τ leichtes Gleiten schweres Gleiten τ IV. Versetzungen können schwerer beweglich oder unbeweglich werden Trifft eine Versetzung auf ein Hindernis, z. B. ein Fremd- oder Einlagerungsatom, so kann sie dadurch in ihrer Bewegung behindert werden. Sie wird erst nach einer Spannungs- oder Temperaturerhöhung wieder beweglich. Zwei bewegliche Versetzungen b 1 und b, die in verschiedenen Ebenen aufeinanderzulaufen, können unbeweglich werden, wenn die resultierende Versetzung b 3 in einer weniger dicht gepackten Ebene oder ungünstig zur angreifenden Schubspannung τ liegt. y τ b 3 b b b 3 b 1 b x 1 z τ Versetzungen werden unbeweglich, wenn sie auf Korngrenzen oder Phasengrenzen treffen. V. Versetzungen können sich vermehren (Frank-Read-Quelle) (a) (b) Die Versetzungslinie einer Stufenversetzung trifft auf ein Hindernis, z. B. ein Paar von Fremd- oder Einlagerungsatomen. Die Versetzung wird aufgehalten, und die Versetzungslinie beginnt sich auszubauchen.

27 (c) Mit steigender Spannung bleibt die Versetzungslinie zwar an den Fremdatomen verankert, baucht sich aber weiter aus und beginnt die Störstellen zu umlaufen. (a) (b) (c) τ (d) Die Fronten der Versetzungslinie nähern sich, und es sind zwei Schraubenversetzungen mit entgegengesetztem Drehsinn entstanden, die sich aufheben. (d) (e) (e) Eine gemischte Versetzung umschließt die Fremdatome, und eine neue Stufenversetzung zwischen den beiden Fehlstellen hat sich gebildet. Der Vorgang wiederholt sich, so dass die beiden Fremdatome von immer mehr gemischten Versetzung umgeben sind. Folge: Mit steigender plastischer Verformung nimmt die Anzahl der Versetzungen zu: Versetzungsdichte: Wärmebehandelte Einkristalle Linien/cm Wärmebehandelte Vielkristalle Linien/cm Wärmebehandelte Vielkristalle nach plastischer Verformung Linien/cm C Zusammenfassung und Folgerungen - Versetzungen erlauben plastische Verformungen bei Spannungen, die wesentlich kleiner als die theoretische Schubfestigkeit des Werkstoffes sind, indem sie ein Kristallgitter mit hoher Geschwindigkeit durchlaufen und dadurch Gleitungen auslösen. - Versetzungen bewegen sich vorzugsweise auf bestimmten Ebenen und in bestimmten Richtungen, die strukturabhängig sind. - Da Versetzungen von einem Spannungsfeld umgeben sind und eine Erhöhung des Energieniveaus zur Folge haben, können sie durch eine Wärmebehandlung des Werkstoffes aufgelöst werden. - Die Beweglichkeit von Versetzungen und damit die plastische Verformbarkeit eines Werkstoffs können reduziert werden durch Fremdatome (Punktfehler), andere Versetzungen oder Korn- und Phasengrenzen. Die plastische Verformbarkeit nimmt daher mit steigender Anzahl von Fremdatomen, steigender Versetzungsdichte und kleiner werdender Korngröße ab. - Da eine plastische Verformung die Versetzungsdichte erhöht und Versetzungen unbeweglich macht, wird der Werkstoff dadurch verfestigt, und die verbleibende plastische Verformbarkeit ist begrenzt.

28 C.3.6 Gleitsysteme Gleitvorgänge treten in bestimmten Gleitebenen und Gleitrichtungen auf. Dies sind meist dichtest gepackte Ebenen und Richtungen. Die Kombination von Gleitebenen und Gleitrichtungen wird als Gleitsystem bezeichnet. Die Anzahl der Gleitsysteme hängt von der Kristallstruktur eines Werkstoffes ab. Beispiele einiger Gleitsysteme Struktur Werkstoffe Anzahl der Gleitsysteme KFZ Cu; Al; Ni; Pb; Au; Ag; γ-fe 4. 3 = 1 KRZ α-fe; W; Mo 6. = 1 α-fe; K 4. 1 = 4 HDP Zn; Mg; Ti 1. 3 = 3 Mg; Ti 6. 1 = 6 C.3.7 Kritische Schubspannung Da Gleitvorgänge nur in bestimmten Ebenen ablaufen können, ist die Orientierung einer Gleitebene zur äußeren Beanspruchung bzw. die in Gleitrichtung auf die Gleitebene wirkende Schubspannung für den Gleitvorgang maßgebend. Gleitrichtung m n Normale zur Gleitebene Gleitebene Querschnitt der Probe: Fläche der Gleitebene: A A = A cos Komponente der Kraft F in Gleitrichtung: F = F. cosλ In der Gleitrichtung wirkende Schubspannung τ: F F τ = = cosλ cos φ A A τ = σ cos λ cos φ φ

29 Kritische Schubspannung τ cr = jene auf Gleitebene und Gleitrichtung bezogene Schubspannung, die zum Gleiten führt. Sie ist eine Materialkonstante, d. h. eine Werkstoffeigenschaft, die vor allem bei KRZ-Kristallen von der Temperatur abhängt. Folgerungen: a) In einem Einkristall können Gleiten bzw. plastische Verformung nur auftreten, wenn das Gleitsystem gegenüber der äußeren Spannung entsprechend orientiert ist. b) Liegen viele Gleitsysteme vor, so ist Gleiten schon bei niedrigen Spannungen wahrscheinlich. c) Mit steigender Spannung werden immer mehr Gleitsysteme aktiviert. d) Je mehr Gleitsysteme gleichzeitig aktiviert werden, um so größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Gleitsysteme durch gegenseitige Beeinflussung unbeweglich werden. Typische Werte der kritischen Schubspannung τ cr [N/mm ] von Einkristallen Werkstoff Struktur kritische Schubspannung bei - C bei + C bei +3 C Kupfer KFZ 1, 1, 1, Aluminium KFZ 1,5 1,5 1,4 Magnesium HDP 1,,8,8 α-eisen KRZ 45, 35, 18, C.3.8 Plastizität von Einkristallen Der Gleitvorgang eines Einkristalls mit einer KFZ-Struktur kann in 3 Bereiche eingeteilt werden: Schubspannung τ τ τ I II III τ c Schubdehnung γ Bereich I: Bis zum Erreichen einer kritischen Schubspannung τ cr kleine elastische (reversible) Vorgänge. Nach Überschreiten von τ cr Beginn des Gleitens. Große Verformungen bei nur langsam steigender Schubspannung.

30 - 9 - Bereich II: Nach Erreichen der Schubspannung τ 1 gegenseitige Behinderung der Versetzungen und Vermehrung der Versetzungen. Die zum Gleiten erforderliche Spannung steigt daher laufend an. Bereich III: Nach Erreichen der Grenzschubspannung τ werden blockierte Versetzungen wieder beweglich. Bei Einkristallen mit HDP-Struktur tritt keine oder nur eine geringe Verfestigung auf, da die geringe Anzahl der Gleitsysteme nur zu einer schwachen gegenseitigen Beeinflussung von Versetzungen führt. Einkristalle mit einer KRZ-Struktur besitzen keine dichtest gepackten Ebenen, so dass das Gleiten erst bei hohen kritischen Schubspannungen beginnt. Wegen der großen Anzahl von Gleitsystemen ist schon bei Beginn des Gleitens eine gegenseitige Beeinflussung von Gleitsystemen zu erwarten, so dass der Bereich I völlig entfällt. Schubspannung τ [N/mm²] Fe (KRZ) Cu (KFZ) Mg (HDP) Schubdehnung γ [%] C.3.9 Plastizität von Vielkristallen Baupraktisch relevante metallische Werkstoffe setzen sich aus vielen unterschiedlich orientierten Körner zusammen. Die für das Einkristall abgeleiteten Zusammenhänge haben zwar Gültigkeit. Zusätzlich ist jedoch der Einfluss der Kornorientierung und der Korngrenzen zu berücksichtigen. Korngrenzen halten die Versetzungsbewegung auf. Die Streckgrenze β S metallischer Werkstoffe steigt daher mit sinkendem Korndurchmesser (Petsch- Gleichung): β s = σ + k d σ d k = Streckgrenze des Einkristalls bei günstiger Orientierung = mittlerer Korndurchmesser = temperaturabhängiger Beiwert bei T = C für Fe: k 3 N/mm 3/ für Al: k N/mm 3/ Die Kornstruktur eines Werkstoffes führt dazu, dass auch bei Vielkristallen mit KFZ-Struktur die Unterteilung eines Gleitvorgangs in die Bereiche I,II und III verwischt wird:

31 Zugspannung [N/mm²] 3 Vielkristalle von Cu 1 Einkristall von Cu Dehnung [%] C.3.1 Spannungs-Dehnungsverhalten von Stahl Streckgrenze σ β So β Su III II IV V I ε Bereich I: Bereich II: Bereich III: elastisches Verhalten Abweichung von der Linearität, Beginn plastischer Verformung; Überschreitung von τ cr Streckgrenze und das Fließen Stähle mit niederem Kohlenstoffgehalt ohne vorhergegangene Kaltverformung besitzen eine ausgeprägte Streckgrenze, d. h. bei konstanter Spannung nehmen die Dehnungen schnell zu. Dieser Vorgang ist dem Bereich I bei der plastischen Verformung eines Einkristalls zwar ähnlich, ist damit jedoch nicht identisch und kann wie folgt erklärt werden: - Kohlenstoffatome des Stahles lagern sich häufig an einer Versetzung an. Erreicht die Spannung die obere Streckgrenze β So, so werden einige Versetzungen von den Kohlenstoffatomen losgerissen = Beginn des Fließens. Weiteres Fließen ist auch bei einer niederen Spannung möglich, so dass die Spannung auf die untere Streckgrenze β Su abfällt. Der Fließvorgang ist zunächst nur auf einen kleinen Bereich der Probe beschränkt.

32 Das örtliche Fließen verursacht Zwängungen, die zu einer Vergrößerung der fließenden Zone führen. - Der Fließbereich erweitert sich, bis in der ganzen Probe plastische Verformungen auftreten. Der Vorgang wird durch die Entwicklung der sog. Fließoder Lüderslinien sichtbar. - Nach Abschluss des Fließvorgangs ist die plastische Verformbarkeit des Werkstoffs zunächst erschöpft, und es stellt sich eine Verfestigung ein (Bereich IV). Bei Stählen mit hoher Versetzungsdichte, z. B. als Folge einer vorangegangenen Kaltverformung, ist ein freies Gleiten nicht möglich. Plastische Verformungen entwickeln sich nur allmählich, so dass der Werkstoff keine ausgeprägte Streckgrenze hat. Bereich IV: Bereich V: Verfestigung durch Vervielfältigung und Blockieren von Versetzungen. Beginn der Entfestigung. C.3.11 Einflüsse auf die plastische Verformbarkeit Mechanismus: Eine Reduzierung der Beweglichkeit von Versetzungen verringert die plastische Verformbarkeit C Strukturparameter Beeinflussung der Versetzungsbeweglichkeit - durch Fremdatome - durch zusätzliche Phasen - Verringerung der Korngröße - Erhöhung der Versetzungsdichte (Kaltverformung) C Äußere Einflüsse Dehngeschwindigkeit: Eine Erhöhung der Dehngeschwindigkeit reduziert die plastische Verformbarkeit, vor allem dann, wenn zeitabhängige Diffusionsvorgänge die Verformbarkeit eines Werkstoffes beeinflussen. Mehrachsige Beanspruchung: Eine mehrachsige Beanspruchung führt bei gleichem Vorzeichen der Spannungen zu einer Reduktion der plastischen Verformbarkeit, weil dadurch die kritische Schubspannung erst bei einer höheren äußeren Beanspruchung erreicht wird (siehe C.5.7). Energiereiche Strahlung: Energiereiche, radioaktive Strahlen können zu einer Störung des Kristallgitters führen. Die so entstehenden Fehlstellen im Kristallgitter reduzieren bei manchen Werkstoffen die Beweglichkeit von Versetzungen soweit, dass eine plastische Verformbarkeit des Werkstoffes nur noch in beschränktem Umfang möglich ist.