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FORSCH U NGSB ER ICHTE
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFAlEN
Herausgegeben durch das Kultusministerium
Nr.957
Prof. Dr.-Ing. Dr.-lng. E. h. Hermann Schenck
Prof. Dr.-Ing. Eugen Schmidtmann
Dr.-Ing. Helmut Brandis
Institut für Eisenhüttenwesen der Technischen Hochschule Aachen
Mechanische und physikalische Prüfverfahren zur Ermittlung
der Vorgänge bei der Abschreck- und Verformungsalterung
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG / KOLN UND OPLADEN
1961
ISBN 978-3-663-03720-0 ISBN 978-3-663-04909-8 (eBook)
DOI1 0.1007/978-3-663-04909-8
G 1 i e der u n g
1. Einführung und Begriffsbestimmung. S. 5
1.1 Theorie der Abschreckalterung S. 6
1.2 Theorie der Reckalterung S. 7
2. Einfluß von Seigerungen, Kaltverformung und Alterungs
behandlung auf die Kerbschlagzähigkeit unberuhigter,
weicher Baustähle • . • . . • • • • S. 8
2.1 Einfluß der Seigerungen auf den Verlauf der Kerb-
schlagzähigkeits-Temperatur-Kurven S. 10
2.2 Einfluß von Kaltverformung und Alterung auf die
Eigenschaften verschiedener Stähle S. 15
2.3 Folgerungen •••••• S. 22
3. Untersuchung von Aushärtungs- und Reckalterungs
vorgängen durch magnetische Differenzmeßverfahren • S. 25
3.1 Das Magnatest-Gerät . • • • •••••••• S. 26
3.2 Verfolgung von Abschreck- und Reckalterungs-
. . . . .
vorgängen an Thomasstahl S. 27
4. Einfluß unterschiedlicher Wärmebehandlung auf den spezifi
schen elektrischen Widerstand von weichem, unberuhigtem
Thomasstahl und aufgekohltem Reineisen während der
Abschreck- und Verformungsalterung S. 32
5. Zusammenfassung •.. S. 43
6. Literaturverzeichnis S. 45
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1. Einführung und Begriffsbestimmung
Als Alterung bezeichnet man die Erscheinung, daß ein Stahl gewisse
seiner Eigenschaften im Laufe der Zeit ändert. Wurde der Stahl einer
Glüh- und Abschreckbehandlung unterzogen, so werden die sich zeigenden
Alterungserscheinungen als "Abschreckalterung~ bezeichnet; folgen die
Alterungserscheinungen aber auf ein Dehnen oder Stauchen bei Raum
temperatur, so spricht man von "Reck- oder Verformungsalterung~. Der
zeitliche Verlauf der Alterung ist stark temperaturabhängig. In der sehr
umfangreichen Literatur findet man mit weitgehender Übereinstimmung,
daß der Kohlenstoff und der Stickstoff als Ursache für die Alterung an
zusehen sind. Eine mögliche Mitwirkung von Sauerstoff ist noch umstrit
ten. Eine ausführliche Zusammenstellung über den Stand der Alterungs
forschung bringt WEPNER [1J.
Eine Änderung der statistischen Verteilung der im Stahl gelösten C- und
N-Atome bringt eine Änderung der Materialeigenschaften mit sich:
Die Streckgrenze einer vom A1-Punkt abgeschreckten Stahlprobe steigt
während einer Auslagerung in einem Maße an, das durch die Höhe der
Anlaßtemperatur bestimmt wird [2J. Nach einer Kaltverformung verschwin
det der Streckgrenzendehnbereich und erscheint wieder bei einer Aus
lagerung [3, 4J. Über das Verhalten der Zugfestigkeit liegen keine aus
führlichen Untersuchungen vor. Mit einer Auslagerung erfolgt ein An
stieg der Festigkeit bis zu einem Maximum. Bei gleicher Anlaßtemperatur
[5, 6J.
nimmt die Zugfestigkeit mit steigendem Reckgrad zu
Die Härte verläuft bei einer Auslagerung nach einer Abschreckbehand
lung über einen Höchstwert und fällt dann wieder ab. Das zeitliche
Auftreten und die Höhe des Härtemaximums wird durch die Auslagerungs
temperatur bestimmt [6, 1J. Der Steilabfall der Kerbschlagzähigkeit
Temperatur-Kurven wird durch eine Abschreckalterung zu höheren Tempe
[6J.
raturen verschoben Gereckte Proben zeigen einen Abfall der Hoch
lage und eine Verschiebung des Übergangsgebietes mit der Auslagerung
zu höheren Temperaturen [8J.
Der elektrische Widerstand fällt mit zunehmender Auslagerungszeit ab.
Die Anlaßtemperatur und der Kaltverformungsgrad sind für die Änderungs
geschwindigkeit und den Auslagerungsverlauf verantwortlich [9, 10, 11J.
Die Koerzitivkraft nimmt mit der Auslagerung bis zu einem Maximum lang
sam zu und sinkt dann wieder ab [12J. Bei Erhöhung der Anlaßtemperatur
wird die Auslagerung beschleunigt. Mit steigendem Reckgrad erfährt
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die Koerzitivkraft eine Zunahme, die durch Anlassen noch verstärkt
werden kann.
1.1 Theorie der Abschreckalterung
Für die heutigen Vorstellungen des Alterungsablaufes sind die Ausschei
dungs- und Wachstumsvorgänge von großer Bedeutung. Voraussetzung für
einen Alterungseffekt ist eine mit abnehmender Temperatur geringer
werdende Löslichkeit im Alpha-Eisen (C; N). So muß für eine abgeschreck
te Probe eine an C und N übersättigte Lösung angenommen werden, die
bald nach dem Abschrecken dem Gleichgewichtszustand zustrebt.
Theoretisch wurde der zeitliche Ausscheidungsverlauf von WERT [13, 14J
untersucht. Abgeleitet aus der Wachstumstheorie von ZENER [15J stellt
er ein Zeitgesetz für den Ausscheidungsverlauf auf.
Mit der Annahme, daß alle Keime für die Ausscheidung nach Abschrecken
von der Glühtemperatur gebildet sind, und daß die Ausscheidungsgeschwin
digkeit proportional dem gelösten Kohlenstoff ist, kann die zeitliche
Abhängigkeit der Ausscheidung formuliert werden:
d W (t)
[1 - W (t)J . f (t)
dt
Wausgeschiedener Kohlenstoff [%]
1 - W = gelöster Kohlenstoff [%J
W (t) = 1 - exp. [- ~tf (t) • dtJ
Das allgemeine Zeitgesetz kann für das Wachstum bei einem Ausscheidungs
verlauf übernommen werden [13, 15J.
l t t n
o f (t) . d t = (y)
ist eine Zeitkonstante, die von der Anfangskonzentration und der
~
Auslagerungstemperatur abhängt, n ist ein Exponent, der für die Ausla
gerung konstant sein soll.
Es ergibt sich also:
t n
W (t) 1 - exp. [- (-=f) J
c (t) = 1 _ c (t)
W (t)
c c
o o
c
o
log In - = k • log t - K . log t
c
t
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c
Für t = t ist ln ~c = 1, d.h. die Abklingzei t t ist die Zeit, bei
c t
o
der -- = eist.
c
t
Als Steigungsmaß fand WERT [13J einen n-Exponenten zwischen 1,2 und
1 ,7.
Das oben aufgeführte Zeitgesetz gibt den Ausscheidungsverlauf bis
%
W (t) = 60 wieder. Bei Berücksichtigung der Wachstumsgeschwindigkeit
einer kugeligen Ausscheidung (n = 3/2) erhält man:
3/
t 2
W (t) 1 - exp. - (-y)
Die Endkonzentration, die sich nach der Auslagerung einstellt, müßte
der Gleichgewichtskonzentration entsprechen, die sich bei der betref
fenden Temperatur einstellt. Sie entspricht der Löslichkeit des Kohlen
stoffs bzw. Stickstoffs bei der entsprechenden Temperatur im Alpha
Eisen [16, 17, 18J. Die Kohlenstoff- und Stickstoffausscheidung erfolgt
bei einer Auslagerung nach einer Abschreckbehandlung unbeeinflußt von
einander, wie aus Dämpfungsmessungen festgestellt wurde [19J.
1.2 Theorie der Verformungsalterung
Zur Deutung der Verformungsalterung sind eine Reihe von Folgerungen
aus der Versetzungstheorie wichtig. Durch eine Verformung steigt die
Zahl der Versetzungen im Alpha-Eisen gegenüber ihrem ursprünglichen
Wert im unverformten Zustand stark an. Eine Versetzung ruft in ihrer
Umgebung eine Verspannung des Gitters hervor; sie ist also eine Stelle
erhöhter Gitterenergie. Diese Verspannungen des Gitters werden durch
die Einwanderung von gelösten Atomen herabgesetzt [20J; da ein sich
selbst überlassenes System einen Zustand der geringsten Energie an
strebt, haben die gelösten Atome das Bestreben, sich in den Versetzun
gen anzusammeln [21, 22, 23J. Die Bindung in einer Versetzung ist stär
ker als in einem Karbid- bzw. Nitridteilchen [24J.
Die Zahl z (t) der Kohlenstoffatome, die in der Zeit t je Raumeinheit
zu den Versetzungen wandern, erhält man, wenn man die Zahl z'(t) der
Atome je Längeneinheit der Versetzungen mit der Zahl L der Versetzun
gen je Flächeneinheit multipliziert:
z (t)
7
Seite
NA Anfangskonzentration des C-Gehaltes
D Diffusionskoeffizient
K Boltzmann'sche Konstante
T Absolute Temperatur
-20 / 2
A 1,5· 10 dyn cm
tt 3 (dimensionslos)
Nach einer gewissen Zeit der Wanderung der C-Atome in die Versetzungen
ist zu erwarten, daß die Diffusionshöfe, die zu den einzelnen Versetzun
gen gehören, sich überschneiden. Dies wird berücksichtigt, indem die
Einlagerungsgeschwindigkeit in Proportionalität zu dem noch in der Um-
gebung vorhandenen Kohlenstoff [1 - U (t)J gesetzt wird [25J.
1/
t - 3
d U (t)
[1 - U (t)]
dt
Der in die Versetzungen eingebaute Teil der Atome ist dann gegeben
durch:
Diese Formel gilt nur dann, wenn die Zahl der C-Atome gegenüber der
Zahl der Versetzungen groß ist.
Wird ein Material verformt, so tritt bei einer anschließenden Auslage
rung eine Beschleunigung der Alterungserscheinungen auf. In einem ver
zerrten Gittergebiet vollziehen sich die Keimbildung und das Keim
wachstum schneller, da die Diffusion wegen der inneren Spannungen be
schleunigt wird und die Diffusionswege durch die größere Anzahl von
Keimbildungsstellen verkürzt sind [26J.
Den Unterschied zwischen dem Auslagerungsverlauf eines verformten und
eines unverformten Werkstoffes erkennt man theoretisch am Exponenten
n der Zeit. Der Exponent n = 2/3 für die verformten Proben bedeutet
nach der Theorie Einwanderung der gelösten Atome in die Versetzungen,
während der Exponent n = 7/6 für die abgeschreckten Proben eine Ein
wanderung und eine Ausscheidung möglich erscheinen läßt.
2. Der Einfluß von Seigerungen, Kaltverformung und Alterungsbehandlung
auf die Kerbschlagzähigkeit unberuhigter weicher Baustähle
An die Baustähle werden oft neben den Forderungen nach bestimmten
Festigkeitseigenschaften noch weitere Forderungen gestellt, die durch
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die zur Zeit verfügbaren Verfahren bei der Erschmelzung der Stähle oft
nur bedingt erfüllt werden können. So wird der genormte Baustahl St 37
als unberuhigter oder beruhigter Thomasstahl hergestellt, in Sonder
verfahren erblasen oder als Siemens-Martin-Stahl geliefert. Entsprechend
ihrer metallurgischen Vorgeschichte unterscheiden sich diese Stähle
zwar nicht in den Festigkeitswerten, aber zum Teil je nach Art und Ge
halt der in den Querschnitten des Werkstoffs enthaltenen Stahlbegleit
elementen erheblich in ihren sonstigen Gebrauchseigenschaften, z.B.
der Kerbschlagzähigkeit nach einer Kaltverformung oder Verformungs
alterung.
Bei den unberuhigten Baustählen können große Unterschiede in der Ver
teilung der Stahlbegleitstoffe in Blockkopf und -fuß oder Blockrand
und -kern auftreten. Der Ort der Probeentnahme ist daher bei der Prü
fung der Eigenschaften um so bedeutungsvoller, als die geseigerten
Begleitstoffe für den Abfall der Kerbschlagzähigkeit verantwortlich
gemacht werden. Zahlreiche Untersuchungen der vergangenen Jahre hatten
daher zum Ziel, den Einfluß der Stahlverunreinigungen, der Desoxydation,
der Abschreck- und Verformungsalterung sowie der Abkühlbedingungen auf
die mechanischen Eigenschaften, besonders auf das Verhalten der Stähle
bei schlagartiger Beanspruchung zu ermitteln. Dabei wurde festgestellt,
daß die Abnahme der Kerbschlagzähigkeit nach einer Verformungsalterung
wesentlich durch die Gehalte im Stahl an Phosphor, Sauerstoff und
Stickstoff verursacht wird, wobei aber auch der Kohlenstoffgehalt und
die Anwesenheit anderer Legierungsstoffe des Stahles von Einfluß sind.
Die Alterungsversprödung wurde allgemein mit der "Unreinheit" des Stah
les in Verbindung gebracht, wobei bereits nach STROMEYER der Gehalt
(% P + 5 %N ) nicht größer als 0,08 %s ein soll.
Die Einflüsse der einzelnen Stahlbeimengungen auf die Kerbschlagzähig
keit des Stahles nach Normalglühen, anschließendem Kaltverformen oder
Altern, wurden jedoch nicht getrennt erfaßt. Ferner ist zu bemerken,
daß die chemische Zusammensetzung der Proben aus unberuhigtem Stahl
meist nur durchschnittlich, d.h. auf den ganzen Probenquerschnitt be
zogen, ermittelt wurde und keine Rückschlüsse auf die Eigenschaften der
geseigerten Zonen zuließ. Bei der Untersuchung der Abhängigkeit der
Flächenwerte unter den Kerbschlagzähigkeit-Temperatur-Kurven vom Phos
phor- und Stickstoffgehalt traten daher große Streuungen auf. Darauf
dürfte es u.a. zurückzuführen sein, daß ein eindeutiger Zusammenhang
zwischen dem Gehalt an Verunreinigungen und der Kerbschlagzähigkeit
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nach unterschiedlicher Wärmebehandlung, Kaltverformung und Alterungs
behandlung noch nicht gefunden wurde, trotz Anwendung zahlreicher Probe
formen, Prüf- und Auswertungsverfahren bei den Untersuchungen.
Das Verhalten der Stähle bei Schlagbeanspruchung kann durch eine Reihe
von Herstellungsbedingungen beeinflußt werden, so z.B. durch
1. Das Erschmelzungsverfahren, da es unmittelbar oder mittelbar für
den Gehalt des Eisens an erwünschten und unerwünschten Begleitstof
fen verantwortlich ist,
2. die Erstarrungsbedingungen und die Formgebung des Stahles, durch
die die Lage und das Ausmaß der Seigerungen beeinflußt wird,
3. Die Wärmebehandlung und Abkühlbedingungen, die den Gefügeaufbau und
die Verteilung der Verunreinigungen bedingen,
4. Art und Ausmaß einer Kaltverformung,
5. Entmischungs- und Ausscheidungsvorgänge nach Abschreck- oder
Verformungsalterung,
6. Probeform, Beanspruchungsart, Spannungszustand, Versuchsgeschwindig
keit und Prüf temperatur.
In der vorliegenden Arbeit ist die Bedeutung einiger dieser Einfluß
größen untersucht worden. Es wird über zwei Versuchsreihen berichtet.
Bei der ersten wurde die Kerbschlagzähigkeit der Stähle in Abhängigkeit
von den Seigerungsverhältnissen untersucht; in der zweiten Versuchs
reihe sollte der Einfluß einer Kaltverformung und einer anschließenden
Alterungsbehandlung auf die Lage der Kerbschlagzähigkeit-Temperatur
Kurven und die Festigkeitswerte überprüft werden. Die Kerbschlagzähig
keit-Temperatur-Kurven wurden mit DVM-Proben ermittelt; bei den Alte
rungsuntersuchungen wurden zusätzlich Untersuchungen an DVMF-Proben
durchgeführt, wie sie zum Teil auch betrieblich zur Kennzeichnung der
Sprödbruchunempfindlichkeit herangezogen werden.
2.1 Einfluß der Seigerungen auf den Verlauf der Kerbschlagzähigkeit
Temperatur-Kurven
Als Versuchswerkstoffe dienten unberuhigter Thomasstahl, unberuhigter,
nach Sonderverfahren erblasener Stahl und unberuhigter Siemens-Martin
Stahl mit ungefähr gleicher chemischer Zusammensetzung in der Stück
analyse (Abb. 1). Die Stähle waren auf 45 mm dicke Vorbrammen, 15 mm
dicke Platten, sowie 50 mm dicke Vierkantknüppel verwalzt worden. Um
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A b b i I d u n g 1
Chemische Zusammensetzung der untersuchten unberuhigten
Stähle verschiedener Erschmelzungsart. (Probenahme aus
der Seigerungszone von 45 mm dicken Brammen aus Blockfuß
und -kopf)
den Einfluß der Seigerungen im Gußblock unberuhigter Stähle auf die
Kerbschlagzähigkeit untersuchen zu können, wurden alle Proben der Sei
gerungszone aus dem Blockkopf und dem Blockfuß entnommen, die Unter
schiede im Gehalt an Verunreinigungen aufwiesen.
Wie Abbildung 1 zeigt, waren die Kohlenstoff-, Phosphor-, Schwefel-
und Stickstoffgehalte im Gußblock wegen der Seigerungen stark unter
schiedlich, während sich die Mangan- und Sauerstoffgehalte in den ver
schiedenen Zonen nicht wesentlich unterschieden. Auch die Baumann
Abdrucke (Abb. 2 bis 4) wiesen bei allen Stählen und Walzabmessungen
aus dem Blockkopf auf starke Seigerungen hin. Dementsprechend war die
Lage der an Proben aus dem stärker geseigerten Blockkopf ermittelten
Kerbschlagzähigkeit-Temperatur-Kurve deutlich verschieden von der der
an Proben aus dem schwächer geseigerten Blockfuß ermittelten Kurven.
Die Verminderung der Werte für die Kerbschlagzähigkeit war bei höheren
Temperaturen um so größer, je höher der Gehalt an Kohlenstoff, Phosphor,
Schwefel und Stickstoff war. Die an Proben aus dem Fuß der Blöcke er
mittelten Werte für die Kerbschlagzähigkeit unterschieden sich daher
bei gleicher Stahlsorte nur wenig.
Der Abfall der Werte für die Kerbschlagzähigkeit war beim unberuhigten
üblichen Thomasstahl etwas größer als bei dem nach Sonderverfahren er
blasenen Stahl und dem Siemens-Martin-Stahl, die eine geringere Seige
rung von Phosphor und Schwefel aufwiesen. Da die Seigerungszonen in
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