Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung mechanischer

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1 Stahldesign: Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung mechanischer von Dr. I. Detemple AG der Dillinger Hüttenwerke

2 Einführung Prinzipielle Mechanismen Korngrößen und Korngrenzen Gefügeumwandlungen Mischkristallbildung Teilchen und Ausscheidungen Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung von mechanischen Eigenschaften Legieren, Einfluss des C-Gehalts auf die mechanischen Eigenschaften Abkühlung und Wärmebehandlung Walzverfahren Wirkung ausgewählter Legierungskonzepte bei CrMo-Stählen Unterschiede luftvergütet / wasservergütet CrMoV-Stähle: Positive Wirkung von VC Ausscheidungen Langzeitversprödung Zusammenfassung

3 Einführung Prinzipielle Mechanismen Korngrößen und Korngrenzen Gefügeumwandlungen Mischkristallbildung Teilchen und Ausscheidungen Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung von mechanischen Eigenschaften Legieren, Einfluss des C-Gehalts auf die mechanischen Eigenschaften Abkühlung und Wärmebehandlung Walzverfahren Wirkung ausgewählter Legierungskonzepte bei CrMo-Stählen Unterschiede luftvergütet / wasservergütet CrMoV-Stähle: Positive Wirkung von VC Ausscheidungen Langzeitversprödung Zusammenfassung

4 Einführung Prinzipielle Mechanismen Korngrößen und Korngrenzen Gefügeumwandlungen Mischkristallbildung Teilchen und Ausscheidungen Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung von mechanischen Eigenschaften Legieren, Einfluss des C-Gehalts auf die mechanischen Eigenschaften Abkühlung und Wärmebehandlung Walzverfahren Wirkung ausgewählter Legierungskonzepte bei CrMo-Stählen Unterschiede luftvergütet / wasservergütet CrMoV-Stähle: Positive Wirkung von VC Ausscheidungen Langzeitversprödung Zusammenfassung

5

6 geringer hoher Anteil Korngrenzen/Volumen» Streckgrenze hoch niedrig» Festigkeit hoch niedrig» Zähigkeit hoch niedrig D Hall - Petch Streckgrenze [MPa] D = mittlerer Korndurchmesser 0 0 0,25 0,5 0,7 5 1 mittlerer Korndurchmesser [mm]

7 [ C] flüssiges Eisen 1536 δ -Eisen 1390 C langsames Abkühlen schnelles Abkühlen γ -Eisen (Austenit) 910 α -Eisen (Ferrit) Martensit

8 Reineisen (Fe) Korn vergrößert Ni, Mn... Fe Fe Fe Fe Rp MPa C, N P Si Mn Ti Ni Konzentration % Mo W V Co Cr Fe Fe Mischkristallhärtung» Ersetzen von Fe durch andere Atome» Einbau kleinerer Atome auf Zwischengitterplätze Fe Fe P, N...

9 Homogenes Mischgefüge Feinkorn Homogenes Feinkorn + Ausscheidungen (Cr-, Nb-Carbide, Ti-Nitride,...) Wärmebehandlung hohe Temperatur lange Haltedauer Wärmebehandlung hohe Temperatur lange Haltedauer

10 Einführung Prinzipielle Mechanismen Korngrößen und Korngrenzen Gefügeumwandlungen Mischkristallbildung Teilchen und Ausscheidungen Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung von mechanischen Eigenschaften Legieren, Einfluss des C-Gehalts auf die mechanischen Eigenschaften Abkühlung und Wärmebehandlung Walzverfahren Wirkung ausgewählter Legierungskonzepte bei CrMo-Stählen Unterschiede luftvergütet / wasservergütet CrMoV-Stähle: Positive Wirkung von VC Ausscheidungen Langzeitversprödung Zusammenfassung

11 Reineisen (Fe) Perlit + Kohlenstoff + langsames Abkühlen D Ferrit

12

13 C = 0,08 % 540 C = 0,24 % 300 C = 0,12 % Festigkeit [MPa] R m min. according A C = 0,20 % C = 0,16 % C = 0,12 % Av Mittelwert [J] C = 0,16 % C = 0,20 % C = 0,24 % 420 C = 0,08 % 50 // ,25 17,5 17, ,25 18,5 18, ,25 19,5 Hollomon Parameter Prüftemperatur [ C]

14 Reineisen (Fe) Martensit + C, Cr, Mo, Mn + schnelles Abkühlen D

15 Reineisen (Fe) Ausscheidungen auf Korngrenzen D + Nb, V, C, N + langsames Abkühlen

16 Abkühlung Prinzipieller Zusammenhang mit der Blechdicke: je dünner, desto schneller Dünnere Bleche haben -bei gleicher Analysenzusammensetzung- höhere R m und R p02 als dicke Bleche Durch ein geeignetes Abkühlmedium (Wasser, Öl...) können auch dicke Bleche schnell abgekühlt werden Wärmebehandlung Durch Anlassen und Spannungsarmglühen können alle vorgestellten Mechanismen aktiviert werden Die Stärke einer kombinierten Anlass-/Spannungsarmglühung kann mit dem HP-Wert charakterisiert werden Walzverfahren Thermomechanisches Walzen NE-Walzen

17 Einführung Prinzipielle Mechanismen Korngrößen und Korngrenzen Gefügeumwandlungen Mischkristallbildung Teilchen und Ausscheidungen Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung von mechanischen Eigenschaften Legieren, Einfluss des C-Gehalts auf die mechanischen Eigenschaften Abkühlung und Wärmebehandlung Walzverfahren Wirkung ausgewählter Legierungskonzepte bei CrMo-Stählen Unterschiede luftvergütet / wasservergütet CrMoV-Stähle: Positive Wirkung von VC Ausscheidungen Langzeitversprödung Zusammenfassung

18 Stahlsorte: A , Analysentyp CrMo_B 21,0 20,8 20,6 20,4 HP- Faktor 20,2 20,0 19,8 19,6 19,4 19,2 19,0 ±0 C -18 C -29 C Q+A -29 C -18 C ±0 C 18,8 18,6 18,4 N+A 18,2 18, Blechdicke [mm]

19 1100 2,25CrMoV, t/ ,25CrMoV, t/2 3CrMoV, t/4 3CrMoV, t/ CrMo 910 Rm [MPa] CrMoV: gemäß ASTM 542-D-4a HP 20,8: Anlassen +705 C/10h HP 21,11: Anlassen +705 C/30h CrMo 910 gemäß VdTÜV Werkstoffblatt 404/ ,00 19,20 19,40 19,60 19,80 20,00 20,20 20,40 20,60 20,80 21,00 21,20 21,40 HP Festigkeit als Funktion von HP für CrMo und CrMoV Stähle im Zustand Q + A (+ S); Blechdicke 200 mm, Prüfrichtung: quer

20 1100 2,25CrMoV, t/ ,25CrMoV, t/2 3CrMoV, t/4 3CrMoV, t/ CrMo 910 Rm [MPa] CrMoV: gemäß ASTM 542-D-4a HP 20,8: Anlassen +705 C/10h HP 21,11: Anlassen +705 C/30h CrMo 910 gemäß VdTÜV Werkstoffblatt 404/ ,00 19,20 19,40 19,60 19,80 20,00 20,20 20,40 20,60 20,80 21,00 21,20 21,40 HP Festigkeit als Funktion von HP für CrMo und CrMoV Stähle im Zustand Q + A (+ S); Blechdicke 200 mm, Prüfrichtung: quer

21 ,25CrMoV, Rp02 2,25CrMoV, Rm 3CrMoV, Rp02 3CrMoV, Rm 12CrMo 910, Rp02, HP=21,0 12CrMo 910, Rm, HP=21, Rp02 [M P a] 400 CrMo:gemäß ASTM 542-D-4a R m [M P a] CrMo 910 gemäß VdTÜV Werkstoffblatt 404/ Prüftemperatur [ C] Prüftemperatur [ C] Zugversuchsgrößen als Funktion der Prüftemperatur für CrMo und CrMoV Stähle im Zustand Q + A (+ S); Blechdicke 200 mm; Prüfrichtung: quer, Prüfposition: t/4

22 Charpy-V-quer, A v-mittelwert [J], Prüftemperatur -60 C ,25CrMoV, t/4 3CrMoV, t/4 12CrMo ,00 19,20 19,40 19,60 19,80 20,00 20,20 20,40 20,60 20,80 21,00 21,20 21,40 Kerbschlagzähigkeit bei -60 C als Funktion von HP für CrMo und CrMoV Stähle im Zustand Q + A (+ S); Prüfposition: t/4 HP

23 P As Sb Schadensfall RISS Betrieb der Anlage (~30 Jahre) 400 C hohe Betriebssicherheit ohne Gefahr von Korngrenzen-Versprödung! Anlassversprödung Fazit: geringer Anteil an versprödenden Spuren sinnvoll J,- Wert, X,- Wert spezifieren LD- Verfahren + spezielle Stahlwerksverfahren sinnvoll, da prozessbedingt weniger Spuren als Elektrostahl Step-cooling Test spezifizieren

24 Intergranulare Risse aufgrund von Korngrenzenseigerungen

25 Einführung Prinzipielle Mechanismen Korngrößen und Korngrenzen Gefügeumwandlungen Mischkristallbildung Teilchen und Ausscheidungen Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung von mechanischen Eigenschaften Legieren, Einfluss des C-Gehalts auf die mechanischen Eigenschaften Abkühlung und Wärmebehandlung Walzverfahren Wirkung ausgewählter Legierungskonzepte bei CrMo-Stählen Unterschiede luftvergütet / wasservergütet CrMoV-Stähle: Positive Wirkung von VC Ausscheidungen Langzeitversprödung Zusammenfassung

26 Zusammenfassung Die Wirkung eines Legierungselementes hängt immer von der gesamten chemischen Zusammensetzung ab Ein anforderungsoptimiertes Grobblech ergibt sich aus der durchdachten Kombination von chemischer Zusammensetzung, Walzparametern, Wärmebehandlung und Abkühlungsbedingungen Ein optimales Produkt ergibt sich ausschließlich aus der intensiven Zusammenarbeit zwischen Kunden und Stahlhersteller

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