1 Bindung

2 Kristallbau

3 Kristallbaufehler

4 Kristallisation

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

6 schnelle Abkuumlhlung Ungleichgefuumlge

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von Legierungselementen

9 Schweiszligen

Literatur Horn Skript HAW

Arnold Skript HAW

Ebel Skript HAW

1 Bindung

Quelle FCI

2 Kristallbau

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

ifw

Volumenaumlnderung von Reineisen in Abhaumlngigkeit von der Temperatur

3 Kristallbaufehler

Quelle MRS Bulletin

Quelle FCI

Gleitebene und ndashrichtung in einem Kristallifw ifw

Dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist relativ leicht

Nicht dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist deutlich schwerer

4 Kristallisation

Entwicklung des Makrogefuumlges

in einem Guszligstuumlck

(1) Beginn der

Keimbildung

(2) Entstehen

der Randzone

(3) Saumlulenkristalle

(4) kugelfoumlrmige

Kristalle

Aktivierungsenergie

QS fuumlr Platzwechsel eines

Substitutionsatoms

QZ fuumlr Platzwechsel eines

Zwischengitteratoms

1 2 3

1 23

Aktivierungsenergien fuumlr Platzwechsel

Grenzflaumlchen sind stark gestoumlrte Bereiche in denen die

Bausteine weniger fest gebunden sind daher ist Q und D

um ein Vielfaches houmlher als bei der Volumendiffusion Der

Anteil der Korngrenzen- und Oberflaumlchenbereiche am

Gesamtvolumen ist jedoch sehr klein so daszlig fuumlr die

Volumendiffusion eine groumlszligerer Stroumlmungsquerschnitt zur

Verfuumlgung steht

mit zunehmender Temperatur dominiert

die Volumendiffusion

Diffusionswege bei der Gitter- Oberflaumlchen- und Korngrenzendiffusion

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C

Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

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g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

1 Bindung

Quelle FCI

2 Kristallbau

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

ifw

Volumenaumlnderung von Reineisen in Abhaumlngigkeit von der Temperatur

3 Kristallbaufehler

Quelle MRS Bulletin

Quelle FCI

Gleitebene und ndashrichtung in einem Kristallifw ifw

Dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist relativ leicht

Nicht dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist deutlich schwerer

4 Kristallisation

Entwicklung des Makrogefuumlges

in einem Guszligstuumlck

(1) Beginn der

Keimbildung

(2) Entstehen

der Randzone

(3) Saumlulenkristalle

(4) kugelfoumlrmige

Kristalle

Aktivierungsenergie

QS fuumlr Platzwechsel eines

Substitutionsatoms

QZ fuumlr Platzwechsel eines

Zwischengitteratoms

1 2 3

1 23

Aktivierungsenergien fuumlr Platzwechsel

Grenzflaumlchen sind stark gestoumlrte Bereiche in denen die

Bausteine weniger fest gebunden sind daher ist Q und D

um ein Vielfaches houmlher als bei der Volumendiffusion Der

Anteil der Korngrenzen- und Oberflaumlchenbereiche am

Gesamtvolumen ist jedoch sehr klein so daszlig fuumlr die

Volumendiffusion eine groumlszligerer Stroumlmungsquerschnitt zur

Verfuumlgung steht

mit zunehmender Temperatur dominiert

die Volumendiffusion

Diffusionswege bei der Gitter- Oberflaumlchen- und Korngrenzendiffusion

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C

Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Quelle FCI

2 Kristallbau

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

ifw

Volumenaumlnderung von Reineisen in Abhaumlngigkeit von der Temperatur

3 Kristallbaufehler

Quelle MRS Bulletin

Quelle FCI

Gleitebene und ndashrichtung in einem Kristallifw ifw

Dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist relativ leicht

Nicht dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist deutlich schwerer

4 Kristallisation

Entwicklung des Makrogefuumlges

in einem Guszligstuumlck

(1) Beginn der

Keimbildung

(2) Entstehen

der Randzone

(3) Saumlulenkristalle

(4) kugelfoumlrmige

Kristalle

Aktivierungsenergie

QS fuumlr Platzwechsel eines

Substitutionsatoms

QZ fuumlr Platzwechsel eines

Zwischengitteratoms

1 2 3

1 23

Aktivierungsenergien fuumlr Platzwechsel

Grenzflaumlchen sind stark gestoumlrte Bereiche in denen die

Bausteine weniger fest gebunden sind daher ist Q und D

um ein Vielfaches houmlher als bei der Volumendiffusion Der

Anteil der Korngrenzen- und Oberflaumlchenbereiche am

Gesamtvolumen ist jedoch sehr klein so daszlig fuumlr die

Volumendiffusion eine groumlszligerer Stroumlmungsquerschnitt zur

Verfuumlgung steht

mit zunehmender Temperatur dominiert

die Volumendiffusion

Diffusionswege bei der Gitter- Oberflaumlchen- und Korngrenzendiffusion

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C

Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

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un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

2 Kristallbau

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

ifw

Volumenaumlnderung von Reineisen in Abhaumlngigkeit von der Temperatur

3 Kristallbaufehler

Quelle MRS Bulletin

Quelle FCI

Gleitebene und ndashrichtung in einem Kristallifw ifw

Dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist relativ leicht

Nicht dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist deutlich schwerer

4 Kristallisation

Entwicklung des Makrogefuumlges

in einem Guszligstuumlck

(1) Beginn der

Keimbildung

(2) Entstehen

der Randzone

(3) Saumlulenkristalle

(4) kugelfoumlrmige

Kristalle

Aktivierungsenergie

QS fuumlr Platzwechsel eines

Substitutionsatoms

QZ fuumlr Platzwechsel eines

Zwischengitteratoms

1 2 3

1 23

Aktivierungsenergien fuumlr Platzwechsel

Grenzflaumlchen sind stark gestoumlrte Bereiche in denen die

Bausteine weniger fest gebunden sind daher ist Q und D

um ein Vielfaches houmlher als bei der Volumendiffusion Der

Anteil der Korngrenzen- und Oberflaumlchenbereiche am

Gesamtvolumen ist jedoch sehr klein so daszlig fuumlr die

Volumendiffusion eine groumlszligerer Stroumlmungsquerschnitt zur

Verfuumlgung steht

mit zunehmender Temperatur dominiert

die Volumendiffusion

Diffusionswege bei der Gitter- Oberflaumlchen- und Korngrenzendiffusion

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C

Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

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Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

ifw

Volumenaumlnderung von Reineisen in Abhaumlngigkeit von der Temperatur

3 Kristallbaufehler

Quelle MRS Bulletin

Quelle FCI

Gleitebene und ndashrichtung in einem Kristallifw ifw

Dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist relativ leicht

Nicht dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist deutlich schwerer

4 Kristallisation

Entwicklung des Makrogefuumlges

in einem Guszligstuumlck

(1) Beginn der

Keimbildung

(2) Entstehen

der Randzone

(3) Saumlulenkristalle

(4) kugelfoumlrmige

Kristalle

Aktivierungsenergie

QS fuumlr Platzwechsel eines

Substitutionsatoms

QZ fuumlr Platzwechsel eines

Zwischengitteratoms

1 2 3

1 23

Aktivierungsenergien fuumlr Platzwechsel

Grenzflaumlchen sind stark gestoumlrte Bereiche in denen die

Bausteine weniger fest gebunden sind daher ist Q und D

um ein Vielfaches houmlher als bei der Volumendiffusion Der

Anteil der Korngrenzen- und Oberflaumlchenbereiche am

Gesamtvolumen ist jedoch sehr klein so daszlig fuumlr die

Volumendiffusion eine groumlszligerer Stroumlmungsquerschnitt zur

Verfuumlgung steht

mit zunehmender Temperatur dominiert

die Volumendiffusion

Diffusionswege bei der Gitter- Oberflaumlchen- und Korngrenzendiffusion

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C

Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

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6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

ifw

Volumenaumlnderung von Reineisen in Abhaumlngigkeit von der Temperatur

3 Kristallbaufehler

Quelle MRS Bulletin

Quelle FCI

Gleitebene und ndashrichtung in einem Kristallifw ifw

Dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist relativ leicht

Nicht dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist deutlich schwerer

4 Kristallisation

Entwicklung des Makrogefuumlges

in einem Guszligstuumlck

(1) Beginn der

Keimbildung

(2) Entstehen

der Randzone

(3) Saumlulenkristalle

(4) kugelfoumlrmige

Kristalle

Aktivierungsenergie

QS fuumlr Platzwechsel eines

Substitutionsatoms

QZ fuumlr Platzwechsel eines

Zwischengitteratoms

1 2 3

1 23

Aktivierungsenergien fuumlr Platzwechsel

Grenzflaumlchen sind stark gestoumlrte Bereiche in denen die

Bausteine weniger fest gebunden sind daher ist Q und D

um ein Vielfaches houmlher als bei der Volumendiffusion Der

Anteil der Korngrenzen- und Oberflaumlchenbereiche am

Gesamtvolumen ist jedoch sehr klein so daszlig fuumlr die

Volumendiffusion eine groumlszligerer Stroumlmungsquerschnitt zur

Verfuumlgung steht

mit zunehmender Temperatur dominiert

die Volumendiffusion

Diffusionswege bei der Gitter- Oberflaumlchen- und Korngrenzendiffusion

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C

Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

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Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Volumenaumlnderung von Reineisen in Abhaumlngigkeit von der Temperatur

3 Kristallbaufehler

Quelle MRS Bulletin

Quelle FCI

Gleitebene und ndashrichtung in einem Kristallifw ifw

Dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist relativ leicht

Nicht dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist deutlich schwerer

4 Kristallisation

Entwicklung des Makrogefuumlges

in einem Guszligstuumlck

(1) Beginn der

Keimbildung

(2) Entstehen

der Randzone

(3) Saumlulenkristalle

(4) kugelfoumlrmige

Kristalle

Aktivierungsenergie

QS fuumlr Platzwechsel eines

Substitutionsatoms

QZ fuumlr Platzwechsel eines

Zwischengitteratoms

1 2 3

1 23

Aktivierungsenergien fuumlr Platzwechsel

Grenzflaumlchen sind stark gestoumlrte Bereiche in denen die

Bausteine weniger fest gebunden sind daher ist Q und D

um ein Vielfaches houmlher als bei der Volumendiffusion Der

Anteil der Korngrenzen- und Oberflaumlchenbereiche am

Gesamtvolumen ist jedoch sehr klein so daszlig fuumlr die

Volumendiffusion eine groumlszligerer Stroumlmungsquerschnitt zur

Verfuumlgung steht

mit zunehmender Temperatur dominiert

die Volumendiffusion

Diffusionswege bei der Gitter- Oberflaumlchen- und Korngrenzendiffusion

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C

Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

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6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

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ck

gre

nze

Re

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mm

2

Bru

ch

de

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10

un

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ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

3 Kristallbaufehler

Quelle MRS Bulletin

Quelle FCI

Gleitebene und ndashrichtung in einem Kristallifw ifw

Dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist relativ leicht

Nicht dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist deutlich schwerer

4 Kristallisation

Entwicklung des Makrogefuumlges

in einem Guszligstuumlck

(1) Beginn der

Keimbildung

(2) Entstehen

der Randzone

(3) Saumlulenkristalle

(4) kugelfoumlrmige

Kristalle

Aktivierungsenergie

QS fuumlr Platzwechsel eines

Substitutionsatoms

QZ fuumlr Platzwechsel eines

Zwischengitteratoms

1 2 3

1 23

Aktivierungsenergien fuumlr Platzwechsel

Grenzflaumlchen sind stark gestoumlrte Bereiche in denen die

Bausteine weniger fest gebunden sind daher ist Q und D

um ein Vielfaches houmlher als bei der Volumendiffusion Der

Anteil der Korngrenzen- und Oberflaumlchenbereiche am

Gesamtvolumen ist jedoch sehr klein so daszlig fuumlr die

Volumendiffusion eine groumlszligerer Stroumlmungsquerschnitt zur

Verfuumlgung steht

mit zunehmender Temperatur dominiert

die Volumendiffusion

Diffusionswege bei der Gitter- Oberflaumlchen- und Korngrenzendiffusion

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C

Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

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6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

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mm

2

Bru

ch

de

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10

un

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ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Quelle MRS Bulletin

Quelle FCI

Gleitebene und ndashrichtung in einem Kristallifw ifw

Dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist relativ leicht

Nicht dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist deutlich schwerer

4 Kristallisation

Entwicklung des Makrogefuumlges

in einem Guszligstuumlck

(1) Beginn der

Keimbildung

(2) Entstehen

der Randzone

(3) Saumlulenkristalle

(4) kugelfoumlrmige

Kristalle

Aktivierungsenergie

QS fuumlr Platzwechsel eines

Substitutionsatoms

QZ fuumlr Platzwechsel eines

Zwischengitteratoms

1 2 3

1 23

Aktivierungsenergien fuumlr Platzwechsel

Grenzflaumlchen sind stark gestoumlrte Bereiche in denen die

Bausteine weniger fest gebunden sind daher ist Q und D

um ein Vielfaches houmlher als bei der Volumendiffusion Der

Anteil der Korngrenzen- und Oberflaumlchenbereiche am

Gesamtvolumen ist jedoch sehr klein so daszlig fuumlr die

Volumendiffusion eine groumlszligerer Stroumlmungsquerschnitt zur

Verfuumlgung steht

mit zunehmender Temperatur dominiert

die Volumendiffusion

Diffusionswege bei der Gitter- Oberflaumlchen- und Korngrenzendiffusion

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C

Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

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6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

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Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Quelle FCI

Gleitebene und ndashrichtung in einem Kristallifw ifw

Dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist relativ leicht

Nicht dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist deutlich schwerer

4 Kristallisation

Entwicklung des Makrogefuumlges

in einem Guszligstuumlck

(1) Beginn der

Keimbildung

(2) Entstehen

der Randzone

(3) Saumlulenkristalle

(4) kugelfoumlrmige

Kristalle

Aktivierungsenergie

QS fuumlr Platzwechsel eines

Substitutionsatoms

QZ fuumlr Platzwechsel eines

Zwischengitteratoms

1 2 3

1 23

Aktivierungsenergien fuumlr Platzwechsel

Grenzflaumlchen sind stark gestoumlrte Bereiche in denen die

Bausteine weniger fest gebunden sind daher ist Q und D

um ein Vielfaches houmlher als bei der Volumendiffusion Der

Anteil der Korngrenzen- und Oberflaumlchenbereiche am

Gesamtvolumen ist jedoch sehr klein so daszlig fuumlr die

Volumendiffusion eine groumlszligerer Stroumlmungsquerschnitt zur

Verfuumlgung steht

mit zunehmender Temperatur dominiert

die Volumendiffusion

Diffusionswege bei der Gitter- Oberflaumlchen- und Korngrenzendiffusion

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C

Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

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un

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10

un

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ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

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Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Gleitebene und ndashrichtung in einem Kristallifw ifw

Dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist relativ leicht

Nicht dichtest gepackte EbeneRichtung ein Abgleiten ist deutlich schwerer

4 Kristallisation

Entwicklung des Makrogefuumlges

in einem Guszligstuumlck

(1) Beginn der

Keimbildung

(2) Entstehen

der Randzone

(3) Saumlulenkristalle

(4) kugelfoumlrmige

Kristalle

Aktivierungsenergie

QS fuumlr Platzwechsel eines

Substitutionsatoms

QZ fuumlr Platzwechsel eines

Zwischengitteratoms

1 2 3

1 23

Aktivierungsenergien fuumlr Platzwechsel

Grenzflaumlchen sind stark gestoumlrte Bereiche in denen die

Bausteine weniger fest gebunden sind daher ist Q und D

um ein Vielfaches houmlher als bei der Volumendiffusion Der

Anteil der Korngrenzen- und Oberflaumlchenbereiche am

Gesamtvolumen ist jedoch sehr klein so daszlig fuumlr die

Volumendiffusion eine groumlszligerer Stroumlmungsquerschnitt zur

Verfuumlgung steht

mit zunehmender Temperatur dominiert

die Volumendiffusion

Diffusionswege bei der Gitter- Oberflaumlchen- und Korngrenzendiffusion

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C

Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

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10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

4 Kristallisation

Entwicklung des Makrogefuumlges

in einem Guszligstuumlck

(1) Beginn der

Keimbildung

(2) Entstehen

der Randzone

(3) Saumlulenkristalle

(4) kugelfoumlrmige

Kristalle

Aktivierungsenergie

QS fuumlr Platzwechsel eines

Substitutionsatoms

QZ fuumlr Platzwechsel eines

Zwischengitteratoms

1 2 3

1 23

Aktivierungsenergien fuumlr Platzwechsel

Grenzflaumlchen sind stark gestoumlrte Bereiche in denen die

Bausteine weniger fest gebunden sind daher ist Q und D

um ein Vielfaches houmlher als bei der Volumendiffusion Der

Anteil der Korngrenzen- und Oberflaumlchenbereiche am

Gesamtvolumen ist jedoch sehr klein so daszlig fuumlr die

Volumendiffusion eine groumlszligerer Stroumlmungsquerschnitt zur

Verfuumlgung steht

mit zunehmender Temperatur dominiert

die Volumendiffusion

Diffusionswege bei der Gitter- Oberflaumlchen- und Korngrenzendiffusion

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C

Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

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un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Entwicklung des Makrogefuumlges

in einem Guszligstuumlck

(1) Beginn der

Keimbildung

(2) Entstehen

der Randzone

(3) Saumlulenkristalle

(4) kugelfoumlrmige

Kristalle

Aktivierungsenergie

QS fuumlr Platzwechsel eines

Substitutionsatoms

QZ fuumlr Platzwechsel eines

Zwischengitteratoms

1 2 3

1 23

Aktivierungsenergien fuumlr Platzwechsel

Grenzflaumlchen sind stark gestoumlrte Bereiche in denen die

Bausteine weniger fest gebunden sind daher ist Q und D

um ein Vielfaches houmlher als bei der Volumendiffusion Der

Anteil der Korngrenzen- und Oberflaumlchenbereiche am

Gesamtvolumen ist jedoch sehr klein so daszlig fuumlr die

Volumendiffusion eine groumlszligerer Stroumlmungsquerschnitt zur

Verfuumlgung steht

mit zunehmender Temperatur dominiert

die Volumendiffusion

Diffusionswege bei der Gitter- Oberflaumlchen- und Korngrenzendiffusion

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C

Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Aktivierungsenergie

QS fuumlr Platzwechsel eines

Substitutionsatoms

QZ fuumlr Platzwechsel eines

Zwischengitteratoms

1 2 3

1 23

Aktivierungsenergien fuumlr Platzwechsel

Grenzflaumlchen sind stark gestoumlrte Bereiche in denen die

Bausteine weniger fest gebunden sind daher ist Q und D

um ein Vielfaches houmlher als bei der Volumendiffusion Der

Anteil der Korngrenzen- und Oberflaumlchenbereiche am

Gesamtvolumen ist jedoch sehr klein so daszlig fuumlr die

Volumendiffusion eine groumlszligerer Stroumlmungsquerschnitt zur

Verfuumlgung steht

mit zunehmender Temperatur dominiert

die Volumendiffusion

Diffusionswege bei der Gitter- Oberflaumlchen- und Korngrenzendiffusion

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C

Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

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6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

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ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

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un

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10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Grenzflaumlchen sind stark gestoumlrte Bereiche in denen die

Bausteine weniger fest gebunden sind daher ist Q und D

um ein Vielfaches houmlher als bei der Volumendiffusion Der

Anteil der Korngrenzen- und Oberflaumlchenbereiche am

Gesamtvolumen ist jedoch sehr klein so daszlig fuumlr die

Volumendiffusion eine groumlszligerer Stroumlmungsquerschnitt zur

Verfuumlgung steht

mit zunehmender Temperatur dominiert

die Volumendiffusion

Diffusionswege bei der Gitter- Oberflaumlchen- und Korngrenzendiffusion

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C

Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

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6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

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Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

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Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

5 Zweistoffsysteme Fe-Fe3C

Gleichgewichts-Gefuumlgeausbildung

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

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HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Die wichtigsten Typen von Zustandsdiagrammen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

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6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

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un

g A

10

un

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ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Eutektikum =

sehr feines Kristallgemisch

aus A ()-Kristallen und B ()-Kristallen

hohe Festigkeit (durch die feinen Koumlrner)

niedriger Schmelzpunkt

(Vgl mit Reinenmetallen)

duumlnnfluumlssig bis zum Erstarren

(flieszligt in jede Ecke)

Gusslegierung

Im Kristallgemisch brechen die haumlrteren

Koumlrner den Span gut zerspanbar

Alle Kristalle haben die gleiche

Zusammensetzung = Mischkristall

Umformarbeit verteilt sich

gleichmaumlszligig auf alle Kristalle

Knetlegierung

Das homogene Mischkristall-Gefuumlge

bewirkt unerwuumlnscht lange Spaumlne

schlecht zerspanbar

Hinweis lange Spaumlne koumlnnen sich um

das Drehteil wickeln und den

Fertigungsprozess stoumlren

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

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6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

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Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

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Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Das Zustandsschaubild (Doppelschaubild) des Systems Eisen-KohlenstoffQuelle Horstmann D Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff In Bericht Nr 180 des Werkstoffausschusses des Vereins Deutscher

Eisenhuumlttenleute 4 Aufl 1961

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Ferritkrz ferromagnetisch

geringe Loumlslichkeit fuumlr C

hohe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Austenit kfz nicht magnetisierbar

hohe Loumlslichkeit fuumlr C

geringe Diffusionsgeschwindigkeit

rarr duktil

Ausscheidungen (intermediaumlr interstitiell intermetallisch)

Karbide (Fe3C) Boride (Fe23B6)

Nitride (Fe2N) Oxide (uumlberwiegend als NME)

IP (Ni2Al Ni3Ti)

rarr sproumlde

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

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6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

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10

un

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ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Gefuumlgebild der Legierung 1 mit 002 C

(Armco-Eisen) Ferrit und Tertiaumlrzementit

Gefuumlgebild der Legierung 2 mit

035 C (C35) Ferrit und Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 3

mit 08 C (C80) Perlit

Gefuumlgebild der Legierung 4 mit 13 C

(C130) Perlit und Sekundaumlrzementit

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6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

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un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

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Prof Dr-Ing L Muumlller

6 schnelle Abkuumlhlung

Ungleichgefuumlge

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

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Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

ZTU Schaubild und FeC

Diagramm

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Quelle Houdremont E Handbuch der Sonderstahlkunde 1 Band 3 Aufl 1956 Seite 137

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

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un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Kiessling R

Darstellung des HRC-Haumlrteverlaufes einer

Stirnabschreckprobe

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Umwandlungstemperaturen und ndashmechanismen der unterschiedlichen Gefuumlge

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Kesselblech E 335Stahlblech S 275

Einfluss verschiedener Abkuumlhlungsgeschwindigkeiten

auf die mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

Kiessling R

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

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ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

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10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Quelle I Holzer TU Graz

Zeit Temperatur Umwandlungs Schaubild

bull isotherm

ndash rasches Abkuumlhlen auf gewuumlnschte Temperatur

ndash Temperatur halten bis Umwandlung voumlllig abgeschlossen ist

bull kontinuierlich

ndash mit bestimmter Abkuumlhl-

geschwindigkeit abkuumlhlen

ndash Umwandlungspunkte

erfassen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

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ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

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un

g A

10

un

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ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

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Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Kiessling RKontinuierliches ZTU-Diagramm von C15E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von C45E

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Kiessling R

Kontinuierliches ZTU-Diagramm von 42CrMo4

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

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ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

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10

un

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ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Perlitbildung Bei der Perlitbildung handelt es sich im einen eutektoiden

Umwandlungsmechanismus Dieser ist duffusionsgesteuert und wird durch das

Fe-C Diagramm beschrieben Die Perlitbildunglaumluft in 3 Phasen ab

Martensitbildung Zur Bildung von Martensit kann es in einer Eisen-Kohlenstoff-

Legierung kommen wenn Diffusionsprozesse aufgrund fehlender Zeit nicht mehr

ablaufen koumlnnen Aufgrund des Sachverhaltes dass der Austenitmit fallender

Temperatur nicht mehr bestaumlndig ist kommt es zu diffusionslosen Umklappen des

kubisch flaumlchenzentrierten Austenitgitters in ein Gitter mit einer kubisch raum-

zentrierten Elementarzelle Der ehemals im Austenit problemlos geloumlste Kohlen-

stoff konnte infolge der fehlenden Zeit nicht mehr aus dem Gitter heraus diffun-

dieren und ist nunmehr im kfz-Gitterzwangsgeloumlst und bewirkt eine tetragonale

Verzerrung welche eine hohe innere Gefuumlgespannung hervorruft

Martensitist tetragonalverzerrter Ferrit

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Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

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un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

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Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Phasen abhaumlngig von T c (p) +- dTdt

AufheizenZeit-Temperatur-Austenitisierungsschaubild

AbkuumlhlenZeit-Temperatur Umwandlungsschaubild

I - isotherm kontinuierlich

Martensit (M)hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit

keine Diffusion von C

Umklappvorgang γ rarr α

rarr C-Atome eingefroren

rarr tetragonale Verzerrung

+ hohe Fehlstellendichte

= Mischkristall- +Versetzungshaumlrtung

hohe Haumlrte

Quelle Alfons Fischer

httpwwwuni-duedewt

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Gruumlnde fuumlr Haumlrtesteigerung beim AbschreckenC kann nicht diffundieren

- C bleibt zwangsgeloumlst

- tetragonal verzerrtes krz-Gitter

- hohe Verspannung bzw hoher Eigenspannungszustand

- hart

Voraussetzungen fuumlr martensitisches Haumlrten- genuumlgend C vorhanden (rarr ggf Aufkohlen der Randschicht bei

Randschichthaumlrtung)

- Genuumlgend hohe Abkuumlhlgeschwindigkeit bis unterhalb MS

- Stahl muss im vorgegebenen T-Bereich γrarrα Umwandlung aufweisen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Aussagen von ZTU-Diagrammen

Bei bekanntem Abkuumlhlverhalten (Temperatur-Zeit-Verlauf) lassen sich aus einschlaumlgi-

gen ZTU-Diagrammen fuumlr kontinuierliche Abkuumlhlung die in der WEZ zu erwartenden

Aufhaumlrtungen qualitativ ablesen Auszligerdem lassen sich die gebildeten Gefuumlgeanteile

in entnehmen (Faustformel nach Nehl 30 Ms koumlnnen ohne wesentliche

Beeintraumlchtigung des Verformungsverhaltens zugelassen werden mit nachtraumlglichem

Spannungs-armgluumlhen 50)

Umgekehrt laumlszligt sich aus ZTU-Diagrammen ablesen ob fuumlr den betreffenden Stahl

zB die Bedingung HVzulle 350 mit Luftabkuumlhlung eingehalten werden kann oder ob

verzoumlgerte Abkuumlhlung erforderlich ist

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Bedeutung fuumlr das Schweiszligen

Staumlhle neigen beim Schweiszligen abhaumlngig von ihrer chemischen Zusammensetzung

zu Aufhaumlrtungen (zB unlegierte Staumlhle mit C-Gehalten gt 022 niedriglegierte

warmfeste Verguumltungsstaumlhle Werkzeugstaumlhle usw) ZTU-Schaubilder ermoumlglichen

Aussagen uumlber das Umwandlungsverhalten eines Stahles beim Schweiszligen zu

machen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Vereinfachtes ZTU-Schaubild am Beispiel von Stahl C 45

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

- Martensitstarttemperatur

- Untere kritische Abkuumlhltemperatur

- Obere kritische Abkuumlhltemperatur

- t85Zeit

- Gefuumlgezusammensetzung in

- Haumlrte nach Abkuumlhlung

Welche Informationen kann man dem ZTU-Diagramm entnehmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Definition der t85-Zeit

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Schweiszlig-ZTU-Diagramm

eines S 690 Q

Austenitisierungs-

temperatur 1300degC

Symbole

C 017

Si 066

Mn 090

P 0018

S 0013

Al 0027

Cr 085

Mo 034

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Verschiedene Formen isothermer ZTU-Schaubilder abhaumlngig von

der Art und Konzentration des Legierungselementes (nach Rose)

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

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g A

10

un

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ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

7 Waumlrmebehandlung

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

8 Einfluss von

Legierungselementen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

1048792

C Schmelztemperatur Streckgrenze Bruchdehnung 1048792 ermoumlglicht

Abschreckhaumlrtung spez Gewicht Schweiszligbarkeit

SI Desoxidation sproumlde Silikate Streckgrenze Haumlrte Bruchdehnung

Kaltverformbarkeit Schweiszligbarkeit (Si lt 02)

Mn Desoxidation Beruhigen Binden von Schwefel (Rotbruchgefahr) MnS

in groumlszligeren Mengen Kerbschlagarbeit

P Kerbschlagarbeit neigt stark zu Seigerungen Rissbildung beim Schweiszligen

S Rotbruch (800-900degC FeS an KG bricht bei Umformung) Heiszligbruch

(1000-1200degC FeS schmilzt auf) Seigerungen kurzbruumlchige Spaumlne (Automatenstahl)

N Versproumldung bei N gt 001 Neigung zu Reckalterung Alterung

(Blausproumldigkeit) Kerbschlagarbeit bei 500degC 1048792

O Versproumldung bei 930degC (Rotbruumlchigkeit) durch Aufschmelzen des

Eutektikums FeO- FeS

H Gasblasenbildung (auch im Festkoumlrper) Streckgrenze Bruchdehnung 1048792

Quelle C Muumlller

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Einfluss der Legierungselemente (schematisch)

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

de

hn

un

g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Nahezu alle Legierungselemente verringern die Diffusionsgeschwin-

digkeit des Kohlenstoffs sowohl im Ferrit wie auch im Austenit

Verminderung der kritischen Abkuumlhlgeschwindigkeit

zur Bildung von Martensit

Besonders wirksam sind (in fallender Reihenfolge)

Mn Mo Cr Si Ni (Mo teuer Si fuumlhrt zu Versproumldung)

Bei genuumlgendem Gehalt an Legierungselementen kann schon bei Abkuumlhlung

an ruhender Luft die Bildung von Perlit unterdruumlckt werden

Martensitischer Stahl

Einfluss von Legierungselementen auf die

Diffusionsgeschwindigkeit von KohlenstoffQuelle C Muumlller

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

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g A

10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Zu

gfe

sti

gk

eit

Rm

un

d S

tre

ck

gre

nze

Re

in N

mm

2

Bru

ch

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10

un

d E

ins

ch

nuuml

run

g Z

in

Haumlrt

e B

rin

ell

HB

Kohlenstoffgehalt und

mechanische

Eigenschaften

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Verschiebung der Perlitstufe durch houmlhere Austenitisierungs-temperaturen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Einfluss von Legierungselementen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Eisen (Fe) + Kohlenstoff (C) + Eisenbegleiter ( + Legierungselemente)

Grundmetall Grundbestandteil

erwuumlnscht unerwuumlnscht

Mangan (Mn) Schwefel (S)

Silizium (Si) Phosphor (P)

Aluminium (Al) Sauerstoff (O)

Stickstoff (N)

Wasserstoff (H)

zur Erzielung

bestimmter

Eigenschaften

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Einteilung nach der Streckgrenze nach DIN EN 10025

z B Stahl S355 J2G3 C (fruumlher St 52-3)

S355 -Mindestwert der Streckgrenze fuumlr Dicken lt 16 mm

J2G3 -Kennzeichnung der Guumltegruppe (Schweiszligeignung Kerbschlagzaumlhigkeit)

C -Eignung zum Kaltbiegen Abkanten Kaltflanschen oder Kaltboumlrdeln

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Kurznamen der Staumlhle (vorangestellt)

Je nach Stahlgruppe ergeben sich folgende Hauptgruppen

S = Staumlhle fuumlr den allgemeinen Stahlbau

P = Staumlhle fuumlr den Druckbehaumllterbau

L = Staumlhle fuumlr den Rohrleitungsbau

E = Maschinenbaustaumlhle

H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus hochfesten Staumlhlen zum Umformen

D = Flacherzeugnisse zum Kaltumformen

Weiter die Angabe der garantierten Mindest-Streckgrenze

fuumlr die kleinste Erzeugnisdicke

S355 Stahl fuumlr den Stahlbau 355MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

E295 Maschinenbaustahl 295MPa (Nmmsup2) Streckgrenze Re

Bezeichnung der Staumlhle 2

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Einteilung nach chemischer Zusammensetzung

a) unlegierte Staumlhle

b) legierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle die nicht fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden nach

ihrer Festigkeit bezeichnet Beim St37 handelt es sich beispielsweise um einen Stahl

mit einer Mindestzugfestigkeit von 360 Nmmsup2 Ferner koumlnnen Kennbuchstaben fuumlr

die Herstellungsart angegeben werden

E Elektrostahl

R beruhigt vergossen

U unberuhigt vergossen zB

R St 37

Unlegierte Staumlhle die fuumlr eine Waumlrmebehandlung bestimmt sind werden meist ein-

satzgehaumlrtet oder verguumltet Sie werden nach der chem Zusammensetzung benannt

Hinter das Symbol C fuumlr den Kohlenstoff setzt man das Hundertfache des mittleren

Kohlenstoffgehalts in Ein k hinter dem Buchstaben bedeutet niedrigen Phosphor-

und Schwefelgehalt zB

Ck10

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Vorgeschriebenes Element Grenzgehalt Massenanteil in

Al Aluminium 010

B Bor 00008

Bi Bismut 010

Co Kobalt 010

Cr Chrom 1) 030

Cu Kupfer 1) 040

La Lanthanide (einzeln gewertet) 005

Mn Mangan 165 2)

Mo Molybdaumln 1) 008

Nb Niob 1) 006

Ni Nickel 1) 030

Pb Blei 040

Se Selen 010

Si Silizium 050

Te Tellur 010

Ti Titan 1) 005

V Vanadium 1) 010

W Wolfram 010

Zr Zirkonium 1) 005

Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff Phosphor Schwefel Stickstoff) jeweils

005

1) Wenn fuumlr den Stahl zwei drei oder vier der durch diese Fuszlignote gekennzeichneten Elemente vorgeschrieben und deren maszliggeblichen Gehalte kleiner als die in der Tafel angegebenen Grenzgehalte sind so ist fuumlr die Einteilung zusaumltzlich ein Grenzgehalt in Betracht zu ziehen der 70 der Summe der Grenzgehalte der zwei drei oder vier Elemente betraumlgt

2) Falls fuumlr den Mangangehalt nur ein Houmlchstwert angegeben ist gilt als Grenzgehalt ein Massenanteil von 180 Prozent

Grenzgehalte fuumlr

die Einteilung

in unlegierte und

legierte Staumlhle

n DIN EN 10020

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Unlegierte Staumlhle

Mn-Gehalt lt 1

C 15 Mittlerer Kohlenstoffgehalt 100

Ohne = unlegierte Qualitaumltsstaumlhle z B C 25

E = Edelstaumlhle mit niedrigem P- und S-Gehalt z B C 45 E

R = Edelstaumlhle mit festgelegten S-Gehalten von 002 bis 004 z B C 60 R

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Unlegierte Staumlhle (fruumlher Niedriglegierte Staumlhle)

mit einem mittleren Mangangehalt gt1 und mit Gehalten

der einzelnen Legierungselementen unter 5

13 CrMo 4-5

Kohlenstoff-

kennzahl

Symbol fuumlr Legierungsbestandteile

nach ihrem mittleren Soll-Gehalten

geordnet

Legierungskennzahlen fuumlr

die Legierungsbestandteile

Die Legierungsbestandteile der einzelnen uumlbersteigen im allgemeinen nicht mehr als 5

Legierte Staumlhle 1

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

13 CrMo 4-5

Legierungselemente Legierungskennzahl

Cr Co Mn Ni Si W 4

Al Be Mo Nb Ta Ti V Zr 10

P S N C Ce 100

B 1000

Kohlenstoffkennzahl bdquo13ldquo 13 100 = 013 C

Legierungskennzahl fuumlr bdquoCrldquo 4 4 = 1 Cr

Legierungskennzahl fuumlr bdquoMoldquo 5 10 = 05 Mo

Unlegierte Staumlhle

Unlegierte Staumlhle 2

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Hochlegierte Staumlhle

X 6 CrNiTi 18-10Kennzeichen fuumlr

Hochlegierte Staumlhle

Legierungselemente

Gehalt in entsprechend

der LegElemente in

Kohlenstoffgehalt = 006

Cromgehalt = 18

Nickelgehalt = 10

Titangehalt = in geringen Mengen (lt 1)

Hochlegierte Staumlhle

X Kennzeichen fuumlr Hochlegierte Staumlhle ein Legierungselement mehr als 5

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9 Schweiszligen

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

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9 Schweiszligen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

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Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

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Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Grundwerksto

ff

(unbeeinfluszligt)

Unvollstaumlndig

e

Umwandlung

Feinkornzone Grobkornzone Schweiszliggut

(Guszliggefuumlge)

E295 mit 028

C UP eine

Lage

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

SchweiszliggutGrobkornzon

eFeinkornzone

teilumgewan-

delte ZoneWEZ

unbeeinfluszligter

Grundwerkstof

f

1 52 3 4

Bereich 1 teilweises AufschmelzenEs koumlnnen sich Seigerungen bilden Heiszligrisse koumlnnen

entstehen

Bereich 2 Grobkornzone UumlberhitzungszoneHaumlrtesteigerung eventuell Haumlrtegefuumlge (Martensit Bainit)

Wiederaufschmelzrisse moumlglich

Bereich 3 FeinkornzoneUmkoumlrnung (Normalisierungseffekt) ergibt feines Korn

Bereich 4 Zone der unvollstaumlndigen UmwandlungPerlit wandelt um in kohlenstoffreichen Austenit der wieder

umwandelt in bdquoretransformierten Perlitldquo oder bei hoher

Abkuumlhlgeschwindigkeit in hochgekohlten Martensit

Bereich 5 unter Ac1

Anlaszligeffekt eventuell Vergroumlberung von Ausscheidungen

Bei kaltverformtem Material Rekristallisation moumlglich Alterung

moumlglich

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Auswirkungen von GrobkornbildungAufhaumlrtungszonen und Haumlrteeinbruumlchen

bull Die maximalen Aufhaumlrtungen treten im Allgemeinen in der Grobkornzone auf

(Ferrit-Perlitnase ist zu groszligen Zeiten verschoben)

bull In der Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung stark vermindert Dies

fuumlhrt bei Belastung in Nahtrichtung zu Sproumldbruchgefahr (unguumlnstiges

Zusammenwirken von Haumlrte und Grobkorn)

bull Unter der Wirkung thermisch bedingter Zug(eigen)spannungen koumlnnen sich

noch waumlhrend der Abkuumlhlung (ab ca 250degC) oder spaumlter nach vollstaumlndiger

Abkuumlhlung Kaltrisse in sproumlden Zonen bilden

bull Haumlrteeinbruumlche vermindern Streckgrenzen- und Zugfestigkeitswerte - je nach

Breite der Zone mit verminderter Haumlrte in unterschiedlichem Maszlige In der

Aufhaumlrtungszone ist die Dehnung bei Belastung Hinsichtlich der Schwingfestig-

keit wirken Haumlrteeinbruumlche als strukturelle Kerben dh schmale Haumlrteeinbruumlche

senken zB die Biegewechselfestigkeit staumlrker ab als Breite

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

Gefuumlgezustaumlnde

bull Nachtraumlgliche Waumlrmebehandlung

Durch eine solche lassen sich Haumlrteeinbruumlche (erneute Aushaumlrtung) Aufhaumlr-

tungen (Spannungsarmgluumlhen) einschlieszliglich der Eigenspannungen und

Grobkornbildung (Normalisieren) vermindern oder beseitigen

Die in aufhaumlrtenden sproumlden Zonen moumlglicherweise schon entstandenen

Kaltrisse lassen sich aber nicht mehr beseitigen Zu ihrer Vermeidung kann eine

der folgenden Maszlignahmen beitragen

bull Vorwaumlrmen oder Einhalten einer bestimmten

Zwischenlagentemperatur beim Mehrlagenschweiszligen

Aufhaumlrtungen - und damit auch Kaltrisse - sollen von vornherein vermieden

werden Die benoumltigten Temperaturen sind relativ gering

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

S

S=SZW+GW

Ac1 MAc1 U

GW

hohe Waumlrmeeinbringung Q

niedrige Waumlrmeeinbringung Q

283C930HVmax

Bereich uumlber Ac3 (vollstaumlndig austenitisiert)

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Verzoumlgerte

Umwandlung in

der Perlit- und

Bainitstufe

aufgrund einer

erhoumlhten

Austenitisierungs

-temperatur

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

IWS INSTITUT FUumlR WERKSTOFFKUNDE UND SCHWEISSTECHNIK

Prof Dr-Ing L Muumlller

Quelle Skript Prof Dr-Ing G Koumltting

Im Schweiszligwaumlrmezyklus ermitteltes ZTU-Diagramm fuumlr

S355J2G3 (St 52-3) (nach Seyffahrt)

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Ursache Durch Erwaumlrmen uumlber ca 750degC (A3) und anschlieszligendem

schnellen Abkuumlhlen (Abschrecken) kann ein Stahl gehaumlrtet werden

(Voraussetzung haumlrtbarer Stahl)

Wirkung Der gehaumlrtete Stahl ist

sproumlde

kann nicht plastisch verformt werden

weist groszlige innere Spannungen auf

die zu Haumlrterissen fuumlhren koumlnnen

Auch beim Schweiszligen WEZ kann durch das Erwaumlrmen und rasches Abkuumlhlen gefaumlhrlich

aufhaumlrten wenn im Stahl Gehalte folgender Elemente uumlberschritten werden

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung nach der Schmelzanalyse ist inTabelle 2 DIN EN 10025 festgelegt Fuumlr die Stahlsorten S355J0 bisS355K2G4 koumlnnen bei der Bestellung folgende zusaumltzliche Anfor-derungen vereinbart werden

Angabe der Gehalte an Cr Cu Mo Ni Nb Ti und V (Schmelzanalyse) in der Bescheinigung der Materialpruumlfung

Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes auf max 018 in der

Schmelzanalyse bei Dicken 30 mm wenn die Erzeugnisse mehr als 002 Nb oder 002 Ti oder 003 V (Schmelzanalyse) enthalten

Houmlchstwert fuumlr das Kohlenstoffaumlquivalent CEV

1556

CuNiVMoCrMnCCEV

Chemische Analyse

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

in15

NiCu

5

VMoCr

6

MnC)IIW(CE

(1967)

Die Gefahr einer unzulaumlssigen Aufhaumlrtung wird neben dem

Kohlenstoffgehalt auch durch die Gehalte anderer Elemente erhoumlht

Wenn CE(IIW) 040

geringe Aufhaumlrtegefahr

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Schwer schweiszligbar Caumlqu gt 08

nicht schweiszligsicher

(Bereich der Vorwaumlrmtemperatur erproben Tv gt 300degC)

Waumlrmenachbehandlung

Gut schweiszligbar Caumlqu lt 04 (bzw C lt 025 )

ohne Vorwaumlrmen schweiszligsicher

(bei Blechdicken s gt 40 mm Vorwaumlrmen auf Tv = 100 150degC)

Bsp S355

Bedingt schweiszligbar Caumlqu = 04 08

mit Vorwaumlrmen schweiszligsicher (Tv = 150 400 degC)

Bsp C45 16MnCr5

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Quelle Institut fuumlr Werkstofftechnik

Metallische WerkstoffeDr-Ing Wolfgang Zinn

SchweiszligenWaumlrmeeinbringung u Abkuumlhlbedingungen moumlglichst gut auf jeweiligen Stahl

und die Blechdicke abstimmen und kontrollieren denn jetzt ist die Waumlrme-

fuumlhrung von 2 Seiten eingegrenzt

a) bei zu geringer Abkuumlhlgeschwindigkeit - zB durch zu groszlige Waumlrme-

einbringung - ergeben sich Festigkeitsverluste und Zaumlhigkeitsverluste

b) bei zu groszliger Abkuumlhlgeschwindigkeit treten unerwuumlnschte Haumlrtespitzen auf

(Kann eher in Kauf genommen werden als a)

Deshalb muss

- Waumlrmeeinbringung - besonders bei duumlnnen Blechen begrenzt werden

-Vorwaumlrmtemperatur lt= 100degC eingehalten werden beim Spannungsarmgluumlhen

Temperatur mindestens 50degC unter der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffs

und lange Gluumlhzeiten sowie langsame Ofenabkuumlhlung vermeiden

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Zuordnung der erwuumlnschten zu den

unerwuumlnschten Begleitelemente im Stahl

Phosphor(Pmax 0045 besser lt 001 )

Schwefel(Smax 0045 besser lt 001 )

Sauerstoff(003 gt Omax gt 002 )

Stickstoff(Nmax 001 besser lt 0007 )

Wasserstoff(Hmax 0 )

Mangan(Mn 02 bis max 16 )

Silizium(Si 01 - 04 )

Aluminium(Al 002 )

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Kennzeichnung Besonderheiten

DIN 17100

alt

DIN EN 10025

neu

Besonders beruhigt

Beruhigt

Unberuhigt

Speckschicht

hohe Reinheit

Seigerungszone

hohe Gehalte an SP

U

R

RR

FU

FN

FF

wenig Mangan (Mn)

kein Silizium (Si)

starke Seigerungen

mit Si und Mn

kaum Seigerungen

mit Si Mn und Al

keine Seigerungen

feinkoumlrniger Stahl

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen

Ursachen (z B) Abhilfe (z B)

Schweiszligeigenspannungen zu hoch

(Schrumpfbehinderung)

Schweiszligfolge aumlndern

freies Schrumpfen ermoumlglichen

Nahtanhaumlufungen vermeiden

vorwaumlrmen

Kaltrisse

wasserstoffinduzierte Risse

(atomarer Wasserstoff)

Ruumlcktrocknen Pulver Elektroden

vorwaumlrmen

Nahtbereich reinigen

(Oumlle Fette sowie Feuchtigkeit)

Heiszligrisse

niedrigschmelzende Eutektika

(FeS NiS )

Reinheit (s o)

Schweiszligparameter aumlndern

Schweiszligzusatz wechseln

Endkraterrisse

(Lunkerungshohlraumlume)

Endkraterfuumllleinrichtung

verwenden (Stromabsenkung)

Endkrater durch Ruumlckschweiszligen

auffuumlllen

starre Konstruktion

dreiachsiger Spannungszustand

Schweiszligfolge aumlndern

vorwaumlrmen