KURZFASSUNG: wurde [1], wurde nun für den Werkstoff EN-GJS C-LT ermittelt und mit den Ergebnissen für Stahl in zwei Wärmebehandlungszuständen

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1 TECHNOLOGIE & TRENDS FOTO: ANDREAS BEDNARECK Rissempfindlichkeit von EN-GJS-4-18C-LT VON DJORDJE DOBI UND MANFRED FEYER, HAMBURG, AIKE GÄDKE, SIE- GEN, EVA JUNGHANS, HAMBURG Einleitung KURZFASSUNG: In jüngster Zeit werden höhere und schärfere Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit und Zähigkeit (Duktilität) bei Gusswerkstoffen gestellt. Die Forschungen und Entwicklungen an existierenden Gusseisensorten und die Entwicklung neuer Gusseisensorten haben zum Ziel, höhere Festigkeiten und Zähigkeiten zu erreichen. Bei diesen Tendenzen wird eine exaktere Bestimmung der Sicherheitsfaktoren gegen Sprödbruch verlangt. An den Kugelgrafitgusssorten EN-GJS- 4-18C-LT und GOPAG C5F (EN-GJS- 5-14C) in Stranggussqualität wurden die Kerbempfindlichkeit und die Rissempfindlichkeit bestimmt und analysiert. Die Rissempfindlichkeit, die für Stähle entwickelt wurde [1], wurde nun für den Werkstoff EN-GJS-4-18C-LT ermittelt und mit den Ergebnissen für Stahl in zwei Wärmebehandlungszuständen verglichen und diskutiert. Ebenso wurden die Ergebnisse aus den Kerbschlagbiegeversuchen mit Stranggießen bei der Gontermann- Peipers GmbH. Für den im Stranggießverfahren hergestellten Werkstoff EN-GJS-4-18C-LT wurden die mechanischen Eigenschaften bei verschiedenen Temperaturen bestimmt und bewertet. Die sogenannte Rissempfindlichkeit wurde anhand von gewalzten/geschmiedeten Stählen definiert und entsprechend angewendet. In der hier beschriebenen Arbeit wurde nun die Rissempfindlichkeit des Werkstoffes EN-GJS-4-18C-LT bestimmt, indem eine Gruppe von Kerbschlagbiegeproben mit einem Ermüdungsriss mit unterschiedlichen Risstiefen hergestellt und geprüft wurde. Diese Rissempfindlichkeit wurde dann mit einigen gewalzten/ geschmiedeten Stählen verglichen, die in verschiedenen Gefügezuständen unterschiedliche Rissempfindlichkeit aufweisen. Die geprüften Eigenschaften wurden mit Gefügeanalysen verknüpft. verschiedenen Kerbradien und Kerbtiefen der Werkstoffe EN-GJS-4-18C-LT und GOPAG C5F verglichen und analysiert. Für weitere Analysen wurden die beiden Kugelgrafitgusssorten am instrumentierten Pendelschlagwerk bei zwei ver- 38 GIESSEREI 14 4/217

2 FOTO: GONTERMANN-PEIPERS Bild 1: Stranggussherstellung bei der Gontermann-Peipers GmbH, Werk Hain. schiedenen Prüfgeschwindigkeiten v (verschiedene potenziale Schlagenergien E; v = 5,5 m/s (E = 3 J) und v = 1,7 m/s (E = 3 J)) geprüft. Für ausgewählte geprüfte Proben wurden fraktografische Analysen zum Vergleich durchgeführt. Die gewonnenen Erfahrungen sollen zu besseren Kenntnissen führen und Hilfe bei der Werkstoffauswahl ermöglichen. Versuchswerkstoffe und Probenentnahme Werkstoffcharakterisierung Für die Untersuchungen wurden die ferritische Gusseisensorten EN-GJS-4-18C-LT als Traditionsgusswerkstoff und die mischkristallverfestigende ferritische Gusseisensorte GOPAG C5F (EN-GJS- 5-14C) verwendet. Beide Werkstoffe wurden gemäß EN in Stranggussqualität (Bild 1) mit folgenden Querschnittsmaßen hergestellt: > EN-GJS-4-18C-LT: Höhe x Breite = 15 mm x 215 mm, > GOPAG C5F: quadratisch H = 26 mm. Bei dem zum Vergleich herangezogenen Stahl handelt es sich um den hochfesten Ni-Cr-Mo-Konstruktionsstahl 35 NCD 16. Dieser wurde durch das Elektroschlacke- Umschmelzverfahren (ESU) hergestellt [1]. Aus dem Stahlwerkstoff wurden Stäbe mit einem Querschnitt von 15 x 15 mm 2 und einer Länge von 4 mm geschmiedet. Die chemischen Zusammensetzungen für alle Versuchswerkstoffe enthält Tabelle 1. Alle Prüfwerkstoffe/Zustände Bild 2: Probenentnahmeplan für EN-GJS-4-18C-LT. Bild 3: Kerbschlagproben. Bild 4: Ermüdungsmaschine Cracktronic. FOTO: IWM RWTH AACHEN Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung der Werkstoffe. Werkstoff/Zustand Chemische Elemente in Gew.-% C S Si Cr Ni Mn Mo V Mg Al 1EN-GJS-4-18C-LT 3,46,4 2,57,2,3,13,47 GOPAG C5F 3,11,1 3,75,25,5 35 NCD 16 B, DVM18, E, DVM56,38,4,2 1,69 3,69,38,35,3,15 GIESSEREI 14 4/217 39

3 TECHNOLOGIE & TRENDS Tabelle 2: Wärmebehandlung. Werkstoff/Zustand Austenitisierung Abschrecken Anlassen EN-GJS-4-18C-LT 91 C/1 h Ofenabkühlung GOPAG C5F 91 C/1 h Ofenabkühlung 35 NCD C Luft B, DVM18 2 h/18 C E, DVM56 2 h/56 C Rp,2 EN-GJS-4-18C-LT Rp,2 Gopag C5F Rm EN-GJS-4-18C-LT Rm Gopag C5F A EN-GJS- 4-18C-LT A GOPAG C5F Bild 5: Mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit von der Prüftemperatur. Kraft in N 123 Probe KV= 13,2 J; v=1,7 m/s 113 Probe, KV=13 J; v= 5,5 m/s Durchbiegung in mm Bild 6: Kraft-Durchbiegungs-Diagramm bei instrumentierter Kerbschlagprüfung für EN-GJS-4-18C-LT. Kraft in N Probe KV= 3,9 J; v=1,7 m/s 2 Probe, KV=5,3 J; v= 5,5 m/s Durchbiegung in mm sind über die durchgeführten Wärmebehandlungen definiert und zusammen mit den Abkürzungen in Tabelle 2 aufgeführt. Beim Stahl waren die gefertigten Proben wärmebehandelt, mit einem entsprechenden Aufmaß von,3 mm für das Endschleifen der Proben [1]. Beim Kugelgrafitguss wurden die Proben nach dem definierten Glühverfahren herausgearbeitet. Den Probenentnahmeplan für EN-GJS-4-18C-LT enthält Bild 2. Für die Bestimmung der Kennwerte im Zugversuch wurden für die Stähle kurze proportionale Proben mit einem Nenndurchmesser von 5 mm verwendet. Beim Kugelgrafitguss wurde derselbe Probentyp mit einem Nenndurchmesser von 1 mm eingesetzt. Die Kerbschlagbiegeversuche wurden an fünf Probetypen durchgeführt (Bild 3): > Schlagbiege-Proben ohne Kerb, > Standard ISO-V-Proben, > modifizierte ISO-V-d-Proben mit Ermüdungsriss der Tiefe d, > modifizierte DVM*-Proben mit Kerbradius ρ = 1 mm und verschiedenen Kerbtiefen, > modifizierter DVM*-Proben-Draht* mit Kerbradius ρ =,125 mm und verschiedenen Kerbtiefen, hergestellt durch Drahterodierung. In die ISO-V-d-Proben wurden vor der Prüfung Ermüdungsrisse verschiedener Tiefe eingebracht. Für die Stahlproben (B, E) erfolgte dies an einem Hochfrequenz Amsler-Pulsator HFP 1. In die Gusseisenproben wurden die Ermüdungsrisse mit einem Tischhochfrequenzpulser des Typs Cracktronic 7 Nm der Firma Rumul mit einem Belastungsverhältnis R =,1 eingebracht (Bild 4) [1]. Versuchsergebnisse des Zugversuchs und des klassischen Kerbschlagbiegeversuchs Bild 7: Kraft-Durchbiegungs-Diagramm bei instrumentierter Kerbschlagprüfung für GOPAG C5F. Für beide Gusseisensorten wurden die Zugversuche bei verschiedenen Prüftemperaturen durchgeführt. Die Kennwerte des Zugversuchs sind für die beiden Gusseisensorten in Bild 5 sowie in der Tabelle 3 zusammengefasst und dargestellt. In Tabelle 3 sind auch die Kennwerte des Zugversuchs für die beiden Zustände des Stahls 35 NCD 16 eingetragen. Erwartungsgemäß steigen mit sinkender Prüftemperatur bei beiden Gusseisensorten die Zugfestigkeit R m und die Streckgrenze R p,2. Beim GOPAG C5F nimmt mit tieferen Temperaturen die Bruchdehnung A ab. Beim Werkstoff 4 GIESSEREI 14 4/217

4 Tabelle 3: Mechanische Eigenschaften. Werkstoff/Zustand R p,2 in MPa R m in MPa A in % Z in % ln(1/(1-z)) KV in J EN-GJS 4-18C-LT 281, ,5 25,5-15,5 GOPAG C5F NCD 16 B, DVM ,4 29,7 1,4 4,1, E, DVM , ,86 57,3, Bild 9: Gefügeanalyse für: a) EN-GJS-4-18C-LT und b) GOPAG C5F. EN-GJS-4-18C-LT hat die Bruchdehnung A einen konstanten Wert zwischen Raumtemperatur und -8 C. Möglicherweise definiert diese Eigenschaft die gute Duktilität und Anwendbarkeit dieses Werkstoffes bei tiefen Temperaturen. Die Kerbschlagzähigkeit KV wurde an einem größeren Probenumfang, entsprechend den Probenahmeplänen, für die beiden Gusseisensorten untersucht. Der Probenumfang und die Prüfungen für den Stahl 35 NCD 16 in den Zuständen B, DVM18, und E, DVM56, sind in [1] dargestellt. Die Prüfungen wurden am klassischen und teilweise am instrumentierten Pendelschlagwerk durchgeführt [1]. Die instrumentierten Pendelschlagversuche wurden durchgeführt, um mehr Informationen über die Bruchvorgänge zu gewinnen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 enthalten. Der klassische Kerbschlagbiegeversuch wurde für alle Proben mit einem Schlagenergiepotenzial von E = 3 J und mit einer Schlaggeschwindigkeit von v = 5,5 m/s durchgeführt. Instrumentierte Kerbschlagversuche Bei den instrumentierten Kerbschlagbiegeversuchen für die beiden Gusseisensorten wurden die Proben unter zwei verschiedenen Versuchsbedingungen bei RT und a Bild 8: Mikrostruktur von: a) EN-GJS-4-18C-LT und b) GOPAG C5F. Bild 1: Risstiefenmessungen an der Bruchoberfläche. b b a GRAFIK: GONTERMANN-PEIPERS GRAFIK: GONTERMANN-PEIPERS GRAFIK: ELEMENT MATERIALS TECHNOLOGY GIESSEREI 14 4/217 41

5 TECHNOLOGIE & TRENDS 423 bei -2 C geprüft. Jede Gusseisensorte wurde mit einem Schlagenergiepotenzial von E = 3 J/3 J und mit einer Schlaggeschwindigkeit von v = 5,5 m/s/1,7 m/s durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Kraft- Durchbiegungs-Diagrammen als Kurvenverläufe dargestellt. Die Ergebnisse für den Werkstoff EN-GJS-4-18C-LT zeigt Bild 6 für die beiden Versuchsbedingungen. Bild 7 zeigt die Kraft-Durchbiegungs-Kurven für GOPAG C5F. Bei den Prüfungen am Werkstoff EN-GJS-4-18C-LT zeigen die Kraft- Durchbiegungs-Kurven einen stetigen Verlauf nach der Initiierung. Die Prüfungen haben keine nennenswerten Unterschiede zwischen den Prüfgeschwindigkeiten/Potenzialenergievermögen ergeben. Die Kurven zeigen einen im Vergleich zu Stählen duktilen Verlauf d = 2,22 2,64 3,27 3,57 4,7 7,4 KV* = 13,4 12,3 11,1 9,2 6,7 2,9 Bild 11: Makroaufnahmen der Bruchoberflächen von Kerbschlagbiegeproben mit Ermüdungsrissen für die EN GJS 4-18C-LT-Proben. H3.1 H5.1 H7.2 H9.2 H11 d = 3,4 3,87 5,3 5,87 6,87 KV* = Bild 12: Makroaufnahmen der Bruchoberflächen von Kerbschlagbiegeproben mit Ermüdungsrissen für die 35 NCD 16-Proben, Serie H [1] KV*4-18C-LT Angeschwungene KV-Proben 4-18C-LT Rissempfindlichkeit -Konstr. PO= 1,38 Linie 2-KV*_1-4-18C-LT Kerbtiefe Risstiefe d in mm Bild 13: KV*-d-Diagramm für EN-GJS- 4-18C-LT (Kurventyp II). a mm J mm J B C D KV = A d d d Der Kraft-Durchbiegungs-Verlauf für GOPAG C5F zeigt einen sehr raschen Kraftabfall nach der Initiierung, was ein Hinweis auf ein sprödes Verhalten ist. Beide Kurven (Bilder 6 und 7) sind im Verlauf hinsichtlich der Form und der Durchbiegungswerte sehr unterschiedlich. Unabhängig vom erreichten Zähigkeitswert ist es sehr wichtig zu wissen, welche Kraft-Durchbiegungs-Kurve hinter den geprüften Werkstoff-Proben steht. Quantitative Gefügeanalyse an EN- GJS-4-18C-LT und GOPAG C5F Die Mikrostruktur von EN-GJS-4-18C- LT für die Strangoberfläche, bestimmt in einer Tiefe von 15 mm, zeigt Bild 8a. In Bild 8b ist die Mikrostruktur für GOPAG C5F abgebildet [2, 3]. Die Mikrogefüge für die beiden Gusseisensorten wurden gemäß der Norm EN ISO 945 ermittelt. Die Grafitform wurde mit dem automatischen Bildanalysesystem Clemex bestimmt. Die Ergebnisse der Gefügeanalysen zeigt Bild 9. Wie zu sehen ist, dominiert die Grafitform VI bei beiden Gusseisensorten. Die Grafitgröße 7 ist bei EN-GJS-4-18C-LT mit einer Menge von 66 % vorherrschend. Die Größe 8 ist mit einem Anteil von 28 % vertreten. Bei GOPAG C5F sind die Grafitgrößen 7 und 8 fast gleichwertig vorhanden. Rissempfindlichkeit Die Rissempfindlichkeit wurde bei den Gusseisensorten nur für EN-GJS-4-18C-LT bestimmt, weil der Werkstoff GO- PAG C5F beim Versuch sehr niedrige KV-Werte aufwies. Der notwendige Probentyp für die Rissempfindlichkeitsdefinition war die Risstiefe d in mm Risstiefe d in mm Bild 14: KV*-d-Diagramme für den Stahl 35 NCD 16 in den Zuständen: a) B (Kurventyp I), b) E (Kurventyp II) GRAFIK: ELEMENT MATERIALS TECHNOLOGY ISO-V-d-Probe, wobei der Buchstabe d auf den Ermüdungsriss zurückzuführen ist. Die Ermüdungsrisse wurden in die ISO-V-Proben durch Hochfrequenzpulser unter definierten Randbedingungen eingebracht. Ausgehend vom Kerbgrund- Kerbradius wurden kontrollierte Ermüdungsrisse im Tiefenbereich zwischen,5 und 7 mm in den Proben erzeugt [1]. Die Ermüdungsrisseinleitung in die EN-GJS-4-18C-LT-Proben am Fractomat erfolgte mit einem Spannungsverhältnis von R =. Die Amplitude betrug 22/12 Nm und der Frequenzbereich 12 Hz. Die Risstiefeneinleitung wurde optisch verfolgt. Alle mit Ermüdungsrissen versehenen ISO-V-d-Proben wurden dann am Kerbschlagbiegehammer mit einer Schlagenergie von 3 J geprüft. Danach wurde die b 42 GIESSEREI 14 4/217

6 Risstiefe d an der Bruchoberfläche an fünf Stellen (,1 W,,25 W,,5 W,,75 W und,9 W, mit W = Probenbreite) gemessen, wie in Bild 1 zu sehen ist. Mit dem Mittelwert der Risslänge und der zugehörigen Kerbschlagarbeit wurden dann Messwertpaare gebildet. Charakteristische Bruchoberflächen für die verschiedenen Risstiefen sind in den Bildern 11 und 12 für die geprüften Werkstoffe dargestellt. Die Messwertpaare KV*-d sind für alle Werkstoffe und Zustände in KV*-d-Diagrammen (Schlagenergie an Kerbschlagbiegeproben mit Ermüdungsrissen verschiedener Tiefe) eingetragen. Die Ergebnisse für den Werkstoff EN-GJS-4-18C-LT enthält Bild 13. Die entsprechenden KV*-d-Diagramme für den Stahl 35 NCD 16 in den Zuständen B und E zeigen die Bilder 14 a und b [1]. Die eingetragene Kurve wurde auf Basis der experimentellen Daten mit der Methode der kleinsten Quadrate für alle Zustände errechnet. Für alle untersuchten Werkstoffe und Zustände ergab die Regressionsanalyse zwei verschiedene Gleichungen, die das Verhalten einzelner Zustände beschreiben [1]. Es gibt zwei Typen von Kurven: Der Kurventyp I bei Stählen beschreibt Zustände mit niedriger Kerbschlagzähigkeit für die ISO-V-Proben: B C D KV = A d d d KDraht*-Experiment 4-18C_LT KDraht*-Konstr. 4-18C-LT KDraht*-Experiment Gopag C5F KDraht*-Konstr. Gopag C5F KV*4-18C-LT KV Gopag C5F DVM*-Experiment 4-18C-LT DVM*-Konstr. 4-18C-LT DVM*-Experiment Gopag C5F DVM*-Konstr Gopag C5F DVM18 DVM Kerbtiefe a in mm Bild 15: KU*-a-Diagramm für EN-GJS- 4-18C-LT, GOPAG C5F und 35 NCD 16 (DVM18 und DVM56), (Kurventyp II gemäß [1]). (1) Er beschreibt den Verlauf für den Stahl im Zustand B. Der Kurventyp II beschreibt den Verlauf für Werkstoffe mit hoher Kerbschlagzähigkeit und wird definiert durch die Gleichung (2): Tabelle 4: Rissempfindlichkeit. Werkstoff/Zustand KV in J KV1 in J PO EN-GJS-4-18C-LT 15,5 11,2 1,38 35 NCD 16 / B 33 4,29 5,61 35 NCD 16 / E 45 28,29 1, B C KV = A D d 2d d (2) Er beschreibt den Verlauf für die Gusseisensorte EN-GJS-4-18C-LT sowie für den untersuchten Stahl im Zustand E, beide mit hoher Kerbschlagzähigkeit. Die Rissempfindlichkeit, genannt PO, ist der Zustand des Stahls, der durch das Verhältnis der Kerbschlagzähigkeitswerte wie folgt definiert ist [1]: KV PO = (3) KV1 mit: KV KV-Wert an der ISO-V-Standardprobe KV1 KV-Wert an der ISO-V-d-Probe mit einem Ermüdungsriss von 1 mm, ausgehend vom Kerbgrund der ISO- V-Probe Mit Hilfe der Regressionsgleichungen (Kurventyp I und II) wurden Rissempfindlichkeitswerte (PO) für alle Zustände ermittelt. Die Werte enthält Tabelle 4. Der Analyse der erreichten Rissempfindlichkeitswerte (PO) zufolge, liegt die Rissempfindlichkeit beim Stahl im Zustand E mit hoher Kerbschlagzähigkeit um 1,58. Bei niedriger Kerbschlagzähigkeit für den Stahl im Zustand B liegt die Rissempfindlichkeit bei 5,61. Dieser hohe Wert weist auf eine sehr hohe Rissempfindlichkeit hin, was man in (Bild 14) an dem sehr steilen Abfall der Kerbschlagzähigkeit in Abhängigkeit von der Risstiefe erkennt. Der Kugelgrafitguss hat trotz seiner niedrigen Kerbschlagzähigkeitswerte mit 1,38 einen sehr niedrigen PO-Wert. Er ist also gemäß dem oben dargestellten Bewertungssystem und [1] sehr wenig rissempfindlich. Kerbempfindlichkeit (KE) Die Kerbempfindlichkeit (KE) ist im Sinne der in [1] definierter Rissempfindlichkeit wie folgt definiert: * K KE = (4) K * 2mm v = 2,2 m/s U-Kerb V-Kerb ED ER v = 5,4 m/s Bild 16: Einfluss von Kerbradius und Schlaggeschwindigkeit auf die Schlagenergiewerte des Werkstoffes EN-GJS-4-18C-LT aus [4]. mit: K* gewonnene Schlagenergie (an Proben ohne Kerb) K* 2 mm Kerbschlagzähigkeit (an Proben mit 2 mm tiefen Kerben, unterschiedlicher Art gemäß Bild 3) Oder anders ausgedrückt: Wie tief sinkt die Schlagenergie, gemessen an Proben ohne Kerb, im Vergleich zu der Kerbschlagzähigkeit, gemessen an Proben mit 2 mm tiefem Kerb (in verschiedenen Kerbausführungen)? Um diese Kerbempfindlichkeit (KE) zu definieren, wurden in Anlehnung an die Bestimmung der Rissempfindlichkeit gemäß [1] Schlag-/Kerbschlagproben mit verschiedenen Kerbradien und Kerbtiefen geprüft. Die Probentypen sind in Bild 3 dargestellt. Die Prüfungen wurden an beiden Gusseisensorten durchgeführt. GIESSEREI 14 4/217 43

7 TECHNOLOGIE & TRENDS Tabelle 5: Kerbempfindlichkeit (KE) für EN-GJS-4-18C-LT und GOPAG C5F. Es wurden: > Biegeproben ohne Kerb, > DVM*-Proben mit einem Kerbradius von 1 mm sowie > Draht*-Proben (drahterodiert), Kerben mit Kerbradius von,125 mm und mit verschiedenen Kerbtiefen geprüft (Probenentnahmeplan s. Bild 2). Für alle Proben wurden vor dem Versuch die Kerbtiefen gemessen und dokumentiert. Mit der Kerbtiefe a und der zugehörigen Kerbschlagarbeit wurden dann jeweils Messwertpaare gebildet. Die Messwertpaare KU*-a für verschiedene Kerbradien sind für die beiden Gusseisensorten im KU*-a-Diagramm (Schlagenergie für Kerbschlagbiegeproben verschiedener Kerbtiefe) eingetragen. Die Ergebnisse für die Werkstoffe EN-GJS-4-18C-LT und GOPAG C5F sowie den Stahl in den Zuständen DVM18 und DVM56 zeigt Bild 15. Die eingezeichneten Kurven wurden auf Basis der experimentellen Daten mit der Methode der kleinsten Quadrate für alle Versuchsvarianten errechnet und folgen dem Kurvenverlauf Typ II. Die berechneten Kerbempfindlichkeitswerte (KE) für die verschiedenen Kerbkonfigurationen enthält Tabelle 5. Die ermittelten Schlagenergiewerte an Proben mit den verschiedenen Kerbradien und mit einer Kerbtiefe von 2 mm folgen sehr stark den in Bild 16 dargestellten Werten aus [4] (ED funkenerodierte Schlitze, Kerbradius r =,5 mm, ER Ermüdungsanrisse). Aus den dargestellten Kurven und den Werten in Tabelle 5 kann man für die beiden Gusseisensorten Folgendes schließen: > Bei annährend gleicher Schlagenergie an den Proben ohne Kerb ist der Energieabfall in Abhängigkeit von der Kerbtiefe für die Gusseisensorte EN-GJS-4-18C-LT im Vergleich zu GOPAG C5F niedriger. Das bedeutet, die Kerbempfindlichkeit ist niedriger. > Die Proben mit Kerbradien von,125 mm haben eine höhere Kerbempfindlichkeit. EN-GJS-4-18C-LT GOPAG C5F Kerbschlagenergie in J KE Kerbschlagenergie in J KE DVM* (ρ = 1 mm) Tiefe 2 mm 22,2 6,63 9,25 16,33 Draht* (ρ =,125 mm) Tiefe 2 mm 14,6 9,99 3,54 42,67 KV (r =,25 mm) 15,5 9,41 4,83 31,27 Ohne Kerb 145,91 151,5 a Kerbtiefe a in mm Kerbtiefe a in mm Bild 17: KU*-a-Diagramm für den Stahl in den Zuständen: a) DVM18 (Kurventyp II), b) DVM56 (Kurventyp II), [1]. Die gleichen Prüfungen wurden für den Stahl 35 NCD 16 in den Zuständen DVM18 (entspricht B) und DVM56 (entspricht E) in [1] an Proben mit Kerbradien von 1 mm und verschiedenen Kerbtiefen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in den Bildern 17a und b dargestellt. Im Vergleich zu Bild 14a und Bild 14b weist der Zustand DVM18 (B) den gleichen Kurvenverlauf auf wie der Zustand DVM56 (E), obwohl der Zustand DVM18 (Zustand B) mit einer sehr hohen Rissempfindlichkeit verbunden ist. REM-Analyse der Bruchoberflächen von EN-GJS-4-18C-LT und GOPAG C5F An ausgewählten, geprüften Bruchoberflächen wurden REM-Aufnahmen durchgeführt, um die Bruchmechanismen zwischen den beiden Gusseisensorten EN-GJS-4-18C-LT und GOPAG C5F zu analysieren und darzustellen. Den Vergleich zum Bruchmechanismus im Zugversuch enthält für die Probe 4.2 EN-GJS-4-18C-LT Bild 18 und für die Probe 5.2 GOPAG C5F Bild 19. Bild 2 zeigt den Bruchmechanismus für die Kerbschlagbiegeprobe Nr. 113 EN-GJS-4-18C-LT für eine Schlaggeschwindigkeit von v = 5,5 m/s und eine Schlagenergie von E = 3 J. Für die Probe Nr. 2 GOPAG C5F ist die Bruchoberfläche für die gleichen Versuchsbedingungen in Bild 21 dargestellt. Bild 22 zeigt den Bruchmechanismus für die Kerbschlagbiegeprobe Nr. 123 EN-GJS-4-18C-LT für eine Schlaggeschwindigkeit von v = 1,7 m/s und eine Schlagenergie von E = 3 J. In Bild 23 ist die Bruchoberfläche für die Probe Nr. 9 GOPAG C5F für die gleichen Versuchsbedingungen dargestellt. Beim Werkstoff EN-GJS-4-18C-LT zeigt die Bruchoberfläche Wabenbruchflächen, wogegen der Bruchmechanismus bei GOPAG C5F als Spaltbruch zu definieren ist. Es sind keine Unterschiede in den Bruchmechanismen zwischen schnellen schlagartigen oder langsamen Zugversuchen erkennbar. b Schlussfolgerungen Die Untersuchungsergebnisse für alle geprüften Proben, hergestellt aus den Werkstoffen EN-GJS-4-18C-LT, GOPAG C5F sowie aus dem Stahl 35 NCD 16 in zwei Gefügezuständen zeigt das Bild 24. Die Prüfungen haben gezeigt, dass der Stahl in den beiden Zuständen unterschiedlich auf Risse reagiert. Innerhalb 44 GIESSEREI 14 4/217

8 FOTOS: ELEMENT MATERIALS TECHNOLOGY Bild 18: REM-Aufnahme für Probe Nr. 4.2, Zug. Bild 21: REM-Aufnahme für die Probe Nr. 2, KV = 3 J E B derselben Stahlsorte beeinflussen die durch Wärmebehandlung erzielten unterschiedlichen Mikrostrukturen wesentlich die Rissempfindlichkeit. Der Kugelgrafitguss EN-GJS-4-18C- LT als Stranggussqualität ist mit seinem niedrigen PO-Wert sehr wenig rissempfindlich. Welche Mechanismen diese niedrige Rissempfindlichkeit bewirken, muss noch mit weitergehenden Prüfungen und Analysen untersucht und erklärt werden. Bild 19: REM-Aufnahme für Probe Nr. 5.2, Zug. Bild 22: REM-Aufnahme für die Probe Nr. 123, KV = 3 J. KDraht*-Experiment 4-18C_LT KDraht*-Konstr. 4-18C-LT KDraht*-Experiment Gopag C5F KDraht*-Konstr. Gopag C5F KV*4-18C-LT KV Gopag C5F DVM*-Experiment 4-18C-LT DVM*-Konstr. 4-18C-LT DVM*-Experiment Gopag C5F DVM*-Konstr Gopag C5F Angeschwungene KV-Proben 4-18C-LT Rissempfindlichkeit -Konstr. PO= 1,38 Linie 2-KV*_1-4-18C-LT DVM18 DVM Kerbtiefe a in mm Bild 24: KU*-a-Diagramm für die Werkstoffe EN-GJS-4-18C-LT und GOPAG C5F (Kurventyp II gemäß [1]). Bild 2: REM-Aufnahme für Probe Nr.113, KV = 3 J. Bild 23: REM-Aufnahme für die Probe Nr. 9, KV = 3 J. Die Kerbempfindlichkeit des Werkstoffes EN-GJS-4-18C-LT ist niedriger als die des Werkstoffes GOPAG C5F. Für beide Gusseisensorten steigt die Kerbempfindlichkeit mit schärfer werdendem Kerb. Die Rissempfindlichkeit vom EN-GJS- 4-18C-LT ist im Vergleich zum Stahl im Zustand E deutlich niedriger. Die Schlagenergie für Proben mit Ermüdungsrissen verschiedener Tiefe verläuft quasi gemäß derselben Kurve wie für Proben mit drahterodiertem Kerb (Draht*) mit dem Kerbradius von,125 mm. Die Rissempfindlichkeitskurve für den Stahl im Gefügezustand B verläuft niedriger als die Kurve für den Werkstoff EN-GJS-4-18C-LT und liegt zwischen den beiden Kurven für den Werkstoff GO- PAG C5F mit einem Kerbradius von 1 mm und,125 mm, welcher eine sehr hohe Kerbempfindlichkeit hat. Durch die Bestimmung der Rissempfindlichkeit ist es möglich, bei der Werkstoffauswahl einige ungünstige Stahlzustände oder Gusseisensorten zu vermeiden. Der Beitrag basiert auf einem Vortrag, der anlässlich der CastTec 216 Die Welt der Gusseisenwerkstoffe Vielfalt für die Zukunft ( November 216 in Darmstadt) gehalten wurde. Dr.-Ing. habil. Djordje Dobi, DNV GL, Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH, Hamburg, Dr.-Ing. Manfred Feyer, Element Materials Technology, Hamburg, Dipl.-Ing. Aike Gädke, Gontermann-Peipers GmbH, Siegen, Dr.-Ing. Eva Junghans, DNV GL SE, Hamburg Literatur: [1] Dobi, D.: Einfluss des Stahlgefügezustandes auf die Rissempfindlichkeit. Diss., Universität Zagreb, 1988 (in kroatisch). [2] N. N.: Gontermann-Peipers, Interner Prüfbericht. [3] N. N., ZLS (Zentrallabor Siegerland): Prüfbericht, Prüf. Nr [4] Konstruieren und Gießen 22 (1997), [Nr. 2], S GIESSEREI 14 4/217 45