Stahlkunde für Ingenieure: Gefüge, Eigenschaften, Anwendungen

283 Pages·1991·8.07 MB·German

by  o. Prof. Dr.-Ing. Hans Berns (auth.)

Hans Bems
Stahlkunde
fiir Ingenieure
Gefüge, Eigenschaften, Anwendungen
Mit 139 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
o. Prof. Dr.-Ing. Hans Bems
Institut ftir Werkstoffe
Ruhr-Universität Bochum
ISBN 978-3-540-54557-6
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Bems, Hans: Stahl kunde für Ingenieure; Gefüge, Eigenschaften, Anwendungen/Hans Bems
ISBN 978-3-540-54557-6 ISBN 978-3-662-10012-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-10012-7
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1991
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heide1berg New York 1991
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Vorwort
Dieses Buch ist aus einer Vorlesung entstanden, die ich seit 1980 an der
Ruhr-Universität Bochum für Maschinenbaustudenten und -studentinnen der
Vertiefungsrichtung Werkstofft echnik halte. Es beruht auf drei Jahrzehnten
Umgang mit Edelstahl, davon zwei in den Bereichen Stahltechnologie und
Qualitätswesen der Industrie. Das Buch setzt werkstoffkundliches Grundwissen
voraus, wie es in einem Ingenieurstudium vermittelt wird. Zu seiner Zielgruppe
gehören neben Studierenden vor allem Ingenieure und Ingenieurinnen, die sich bei
ihrer Arbeit mit dem Werkstoff Stahl auseinandersetzen müssen und dazu ihre
Kenntnisse vertiefen möchten.
Das Buch beginnt nach einer Einleitung mit den drei Grundlagenkapiteln
"Gefüge", "Wärmebehandlung" und" Eigenschaften". Mit diesem Rüstzeug werden
in den folgenden Kapiteln" Baustähle" , "Werkzeugstähle" , "Chemisch beständige
Stähle", "Warmfeste Stähle" und "Funktionswerkstoffe" behandelt. Dabei steht
das Verständnis ihrer gefügebedingten Fertigungs-und Gebrauchseigenschaften im
Vordergrund. Sie werden anhand weniger ausgewählter Stähle erörtert. Deren
Kennzeichnung erfolgt durch die genormte Kurzbezeichnung, aus der die chemische
Zusammensetzung erkennbar ist. Sie liefert einen Schlüssel zum Verständnis.
Werkstoffnummern leisten dazu keinen Beitrag und tauchen deshalb nur in einer
Gegenüberstellung im Anhang auf, obwohl sie in der Praxis häufig Verwendung
finden. Zahlenangaben wie Legierungsgehalte und Wärmebehandlungstemperaturen
werden auf das Nötigste begrenzt, um eine Überfrachtung des Textes zu vermeiden.
Verweise auf DIN Normen und Stahleisen-Werkstoffblätter ermöglichen den
Zugriff zu diesen Details. Internationale Regelwerke bleiben unberücksichtigt, da
die Umstellung auf EURO- und ISO-Normen noch unvollständig ist. Das letzte
Kapitel bietet eine kurze Darstellung der Stahlerzeugung.
In der Vermittlung von Zusammenhängen fällt den Bildern eine wichtige Aufgabe
zu. Um ihr gerecht zu werden, sind die Darstellungen vielfach aus Teilbildern
zusammengesetzt und mit ausführlichen Unterschriften versehen. Dadurch wird der
Text entlastet. Aus der Kenntnis des Werkstoffs Stahl soll ein Gefühl für die
VI
richtige Stahlauswahl erwachsen, was bei rund 2000 Stahlsorten keine leichte
Aufgabe ist. Aus diesem Grunde enthält jedes Stahlkapitel einen Abschnitt
" Anwendung". Hier kann sich der Leser an Beispielen aus der betrieblichen Praxis
orientieren. Dabei kommen weitere Stahlsorten und neue Entwicklungen ins Spiel.
Auch werden Verarbeitungsprobleme angesprochen. Als Ergebnis soll der Leser
Anregungen für einen optimalen Stahleinsatz und neue Problemlösungen erhalten.
Das Buch muß, gemessen am Umfang des Stoffes, unvollständig bleiben und zum
Teil mit Vereinfachungen arbeiten. Der Leser möge dies bei der Anwendung des
Buchinhaltes auf seine Problemstellungen bedenken. Auch sind Fehler nicht ganz
auszuschließen und Korrekturhinweise daher erwünscht. Der geraffte Überblick
über das Stahlgebiet erschwert ein detailliertes Quellenverzeichnis. Neben den im
Anhang aufgeführten Angaben zu den Bildern und Tabellen sind deshalb nur einige
weiterführende Schriften genannt.
Danken möchte ich Frau Ingeborg Riemann für die druckfähige Reinschrift des
Textes, Frau Irina Hucklenbroich für das Zeichnen der Bilder und Herrn Jörg Kleff
für die formale Textbearbeitung. Die Herren Dr.-Ing. Alfons Fischer und Dr.-Ing.
Werner Theisen haben mich von Dienstpflichten entlastet, wofür ich mich bedanke.
Nicht zuletzt danke ich meiner Frau für ihre Unterstützung und Geduld.
Bochum, im Juli 1991 Hans Berns
Inhaltsverzeichnis
o
Einleitung 1
1 Gefügeautbau 5
1.1 Gleichgewichtsnahe Gefügebestandteile 8
1.1.1 Kristallaufbau 8
1.1.2 Verbleib von Legierungs-und Begleitelementen 11
1.1.3 Zustandsschaubilder 14
1.1.4 Morphologie der gleichgewichtsnahen
Gefügebausteine 17
1.2 Gleichgewichtsfeme Gefügebestandteile 19
1.2.1 Rasche Erwärmung 19
1.2.2 Rasche Abkühlung 20
1.2.3 Morphologie der gleichgewichtsfemen
Gefügebausteine 21
1.2.4 Einfluß der Unterkühlung 24
1.2.5 Wiedererwärmung von Abschreckgefügen 27
1.3 Gefüge-und Stahlarten 30
1.4 Gefügeeinstellung 32
1.4.1 Erstarrung 32
1.4.2 Umformung 34
1.4.3 Weiterverarbeitung 35
2 Wärmebehandlung 37
2.1 Gleichmäßige Eigenschaften 37
2.1.1 Wasserstoffarmglühen 37
2.1.2 Spannungsarmglühen 38
2.1.3 Weichglühen 39
VIII
2.1.4 Normalglühen 41
2.1.5 Lösungsglühen 42
2.1.6 Diffusionsglühen 42
2.1.7 Härten 43
2.1.8 Anlassen 47
2.1.9 Vergüten 48
2.2 Besondere Randschichteigenschaften 49
2.2.1 Randschichthärten 50
2.2.2 Randschichtumschmelzen 51
2.2.3 Einsatzhärten 52
2.2.4 Nitrieren 55
2.2.5 Andere thermochemische Verfahren 56
2.3 Nebenwirkungen 57
2.3.1 Thermische Nebenwirkungen 57
2.3.2 Thermochemische Nebenwirkungen 58
3 Eigenschaften 61
3.1 Mechanische Eigenschaften 61
3.1.1 Beanspruchung 61
3.1.2 Verformung und Bruch 64
3.1.3 Festigkeitseigenschaften 71
3.2 Tribologische Eigenschaften 76
3.2.1 Reibung 77
3.2.2 Verschleiß 79
3.3 Chemische Eigenschaften 82
3.3.1 Naßkorrosion 83
3.3.2 Hochtemperaturkorrosion 88
3.4 Besondere physikalische Eigenschaften 91
3.4.1 Magnetische Eigenschaften 91
3.4.2 Wärmeausdehnung 93
3.4.3 Leitfähigkeit 93
4 Baustähle - nicht zur Wärmebehandlung bestimmt 95
4.1 Unlegierte Baustähle 95
4.1.1 Eigenschaften 95
4.1.2 Anwendungen 103
4.2 Legierte Baustähle 108
4.2.1 Eigenschaften der Feinkornstähle 109
IX
115
4.2.2 Anwendung der Feinkornstähle
4.2.3 Ausscheidungshärtende ferritisch-perlitische
118
(AFP) Stähle
119
4.2.4 Perlit ische Walzstähle
5 Baustähle - zur Wärmebehandlung bestimmt 120
5.1 Vergütungsstähle 121
5.1.1 Eigenschaften 121
5.1.2 Anwendungen 124
5.2 Höchstfeste Stähle 130
5.2.1 Eigenschaften 131
5.2.2 Anwendungen 133
5.3 Stähle für die Randschichthärtung 134
5.3.1 Eigenschaften 134
5.3.2 Anwendungen 135
5.4 Nitrierstähle 136
5.4.1 Eigenschaften 136
5.4.2 Anwendungen 137
5.5 Einsatzstähle 139
5.5.1 Eigenschaften 139
5.5.2 Anwendungen 141
5.6 Wälzlagerstähle 142
5.6.1 Eigenschaften 142
5.6.2 Anwendungen 144
6 Werkzeugstähle 146
6.1 Kaltarbeitsstähle 147
6.1.1 Eigenschaften 149
6.1.2 Anwendungen 154
6.2 Warmarbeitsstähle 158
6.2.1 Eigenschaften 159
6.2.2 Anwendungen 161
6.3 Schnellarbeitsstähle 163
6.3.1 Eigenschaften 163
6.3.2 Anwendungen 166
6.4 Verschleißbeständige Stähle 168
x
7 Chemisch beständige Stähle 172
7.1 Nichtrostende Stähle 178
7.1.1 Eigenschaften 178
7.1.2 Anwendungen 188
7.2 Hitzebeständige Stähle 193
7.2.1 Eigenschaften 193
7.2.2 Anwendungen 195
8 Warmfeste Stähle 198
8.1 Eigenschaften 202
8.2 Anwendungen 209
8.2.1 I>ampfkraftwerk 209
8.2.2 Gasturbine 211
8.2.3 Lebensdauerabschätzung 212
8.2.4 Petrochemie 213
8.2.5 Ventile 214
9 Funktionswerkstoffe 216
9.1 Weichrnagnetische Werkstoffe 216
9.2 Hartmagnetische Werkstoffe 220
9.3 Nichtmagnetisierbare Stähle 221
9.4 Werkstoffe mit besonderer Wärmeausdehnung und
Steifigkeit 222
9.5 Werkstoffe mit Formgedächtnis 224
9.6 Heizleiterlegierungen 226
10 Stahlerzeugung 228
10.1 Schmelzen 229
10.1.1 Schmelzen von Roheisen 229
10.1.2 Schmelzen von Stahl 231
10.1.3 Nachbehandein von Stahlschrnelzen 233
10.1.4 Begleitelemente 235
10.2 Urformen 237
10.2.1 Strangguß 237
10.2.2 Blockguß 239
XI
10.2.3 Formguß 240
10.2.4 Pulvermetallurgie 241
10.2.5 Sonderverfahren 242
10.3 Umformen 243
10.3.1 Warmwalzen 243
10.3.2 Kaltwalzen 246
10.3.3 Schmieden 247
Schrifttum 250
Zeichen und Abkürzungen 253
Werkstoffnummem 256
Sachverzeichnis 260