Dauerschwingfestigkeit bei 20 und 500°C von Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und verschiedenen Titan-Zusätzen

63 Pages·1964·1.545 MB·German

by  Dr. phil. nat. Max Hempel (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 1379
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
DK 669.15.295-194:620.178.3/.6
Dr. phil. nat. Max Hempel
Max-Planck-Institut fik Eisenforschung Düsseldorf
Dauerschwingfestigkeit bei 20 und 5000 C
von Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt
und verschiedenen Titan-Zusätzen
WESTDEUTSCHER VERLAG· KÖLN UND OPLADEN 1964
ISBN 978-3-663-06239-4 ISBN 978-3-663-07152-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07152-5
Verlags-Nr.011379
© 1964 by Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
Inhalt
I. Einleitung ................................................... 7
11. Versuchsdurchführung ......................................... 8
1. Versuchswerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2. Prüfstabformen ............................................. 9
3. Versuchsverfahren und Prüfeinrichtungen ..................... 9
lIl. Versuchsergebnisse .......... ~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1. Statische Versuche .......................................... 12
2. Versuchseinzelwerte unter Dauerschwingbelastung .............. 12
3. WÖHLER-Linien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4. Spannung-Bruchzeit-Linien................................... 14
5. Kerbwirkungszahlen......................................... 16
6. Mechanische Kennwerte und Verhältnis Ti:C ................... 18
7. Bruchausbildung an Schwingungsproben ....................... 18
IV. Zusammenfassung ............................................. 21
V. Literaturverzeichnis 23
VI. Anhang ...................................................... 25
1. Tabellen Nr. 1-12 ........................................... 26
2. Abbildungen Nr. 1-27 ....................................... 39
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1. Einleitung
Zur Ermittlung eines Zusammenhangs zwischen dem Zustandsschaubild oder
dem Umwandlungsverhalten von binären, ternären oder komplexen Legierungen
mit ihren mechanischen Eigenschaften sind Untersuchungen über den Reaktions
ablauf, über die Konzentrationsebenen und die auftretenden Kristallarten von
besonderer Bedeutung. Dies gilt vor allem auch für die K1ärung des Einflusses
von sonderkarbidbildenden Elementen, wie Mo, Cr, V, Zr, Nb und Ti, in
Stählen auf den Verlauf des y-Zustandsraumes und auf die Kristallisations- und
Entmischungsvorgänge beim Abschrecken und Anlassen [1]. So weist z. B. das
System Fe-Nb ein verengtes y-Feld auf [2], und beim System Fe-Nb-C ist
ein Abschrecken aus dem y-Gebiet bis zu bestimmten Nb- und C-Gehalten mäg
lich. Im Gegensatz hierzu weist das System Fe-Ti ein abgeschlossenes y-Gebiet
auf [3], und ein Abschrecken im System Fe-Ti-C aus dem y-Gebiet für alle
Konzentrationen ist nicht mehr mäglich. W. TaFAuTE und A. BÜTTINGHAUS [4]
ermittelten ein Schaubild, in dem die Schnittflächen der Ebenen verschiedener
Ti-Gehalte mit dem y-Raum auf die Ebene des Systems Fe-C projiziert wurden.
Hieraus geht hervor, daB mit steigendem Ti-Gehalt das Einphasen-y-Feld immer
mehr zusammenschrumpft, um bei Titangehalten ~ 1% zu verschwinden; d. h.,
bei gleichbleibendem C-Gehalt tri tt nach überschreiten eines bestimmten Titan
gehaltes kein y-Gebiet mehr auf. Bei geringen Ti-Gehalten stehen y-Fe und IX-Fe
im Gleichgewicht mit FesC und TiC; in titanreichen Legierungen treten daneben
noch die Fe-Ti-Verbindungen FesTi bzw. Fe Ti auf.
2
Aus Untersuchungen an binären Fe-Nb- [5, 6] und Fe-Ti-Legierungen [7-12]
geht hervar, daB für jede Abschrecktemperatur im Bereich van 1000 bis 1300°C
der Hächstwert der mechanischen Eigenschaften, wie Härte, Zugfestigkeit und
Streckgrenze bei Raumtemperatur und DVM-Kriechfestigkeit bei 500°C, bei der
Konzentration erhalten wird, die bei der gewählten Abschrecktemperatur un
mittelbar an der Grenze des y-Feldes liegt. Als Ursache hierfür wird die Um
wandlungshärte des an Nb bzw. Ti gesättigten y-Mischkristalls angesehen. Das
günstigere Verhalten der Fe-Nb-Legierungen wird dadurch erklärt, daB zu der
Umwandlungshärtung noch eine Ausscheidungshärtung bei einem Verhältnis
Nb/C > 8 durch die Niobide hinzutritt.
In vorliegender Untersuchung soll die Frage an einer Legierungsreihe des Systems
Fe-Ti-C geprüft werden, ob diese GesetzmäBigkeit auch bei wechselnder Be
anspruchung in der Wärme auftritt. Zwecks eines Vergleichs der hierbei ermittel·
ten Warmschwingungsfestigkeiten werden die an einem Nb-, Mo- und Cr-Stahl
erhaltenen Untersuchungsergebnisse mit herangezogen. Darüber hinaus sollen
die Spannung-Bruchzeit-Linien der Stäh1e bei ruhender und wechselnder Be
lastung für eine Prüftemperatur von 5000 C verglichen und. die zeitlichen .Ände
rungen der Kerbwirkungszahlen bei 20 und 5000 C bestimmt werden.
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Il. Versuchsdurchführung
1. Versuchswerkstoffe
Die für die Untersuchung benutzten Fe-Ti-C- und Fe-Nb-C-Legierungen
wurden in einem kernlosen Induktionsofen mit einem Fassungsvermögen von
250 kg erschmolzen. Als Einsatz dienten Rohrschrott und Roheisen. Die Ti
Legierungen wurden in einem basisch, die Nb-Legierung in einem sauer zuge
stellten Dfen hergestellt. Das Titan wurde als 30- bzw. 35%ige Ferrotitanlegie
rung beim Abstich zur fl.üssigen Schmelze in die Pfanne zugesetzt. Die Zugabe
des Nb erfolgte vor dem Abstich in den Dfen als 60%iges Ferroniob. Die Schmel
zen wurden in Rundkokillen mit einem mittleren Durchmesser von rd. 100 mm
abgegossen. Nach dem Verputzen der Blöcke wurden sie zu Stangen von rd.
26 bzw. 30 mm Dmr. ausgeschmiedet. Der Stahl mit 0,5% Mo bzw. 13% Cr
lag in Walzstangen von 30 mm Dmr. vor und wurde im nicht wärmebehandelten
Zustand angeliefert.
Die chemische Zusammensetzung der untersuchten Werkstoffe ist in Tab. 1
wiedergegeben. Aus den Rundstangen wurden die für die mechanischen Unter
suchungen benötigten Probenabschnitte herausgesägt und den in Tab. 1 mit
aufgeführten Wärmebehandlungen unterworfen. Die titanfreie Legierung A
wurde bei rd. 9000 C in Wasser abgeschreckt und 1 h bei 6000 C mit anschlieBender
Abkühlung an Luft angelassen; die titanhaltigen Legierungen wurden von
1200°C und die Legierung mit Nb-Zusatz wurde von 1300°C in Wasser
abgeschreckt. Die AnlaBbehandlung wurde bei den ersteren bei 6000 C und bei
der Nioblegierung bei 65U"C vorgenomtnen. Die Proben des Mo-Stahles wurden
im geglühten und die des Cr-Stahles im vergüteten Zustand untersucht.
Zur Kennzeichnung der Gefügeausbildung in den wärmebehandelten Versuchswerk
stoffen sind in Abb. 1 Aufnahmen von Längsschliffen bei 500facher VergröBerung
im geätzten Zustand (alkohol. Salpetersäure) zusammengestellt. Der bei einer
Temperatur von 9000 C abgeschreckte und bei 6000 C angelassene Stahl A (Abb. 1 a)
weist ein Mischgefüge auf, und zwar bestehend aus martensitischem Vergütungs
gefüge mit Zwischenstufengefüge und geringen Anteilen von Perlit. Die aus dem
homogenen y-Gebiet von 1200 C abgeschreckten und bei 600 C angelassenen
0 0
Stähle B und C (Abb. 1 b und 1 c) zeigen ein feinkörniges Vergütungsgefüge
(angelassener Martensit). Beim Stahl D (Abb. 1 d) liegt der Titanzusatz im Über
gang vom y- zum ot-Gebiet; nach dem Abschrecken und Anlassen tritt das Ver
gütungsgefüge als grober, angelassener Martensit mit nadeliger Struktur auf.
Das Abschrecken des Stahles E mit einem Titanzusatz von 2,11% (Abb. 1e)
erfolgte aus dem ot-Gebiet und ergibt infolgedessen ein rein ferritisches Gefüge.
Die Glühbehandlung des Stahles mit 0,5% Mo (Abb. 1 f) liefert ein Ferrit-
8
Perlit-Gefüge. Die Vergütung des 13%igen Cr-Stahles (Abb. 1 g) führt zur Aus
bildung eines martensitischen Vergütungsgefüges, in dem noch Ferritzeilen
(Seigerungszonen) eingelagert sind.
Die Abb. 2 gibt Aufnahmen von Längsschliffen bei 100facher VergröBerung im
ungeätzten Zustand wieder, um Form, GröBe und Verteilung von Einsch/üssen in
den verschiedenen Versuchswerkstoffen zu kennzeichnen. Es ist besonders zu
bemerken, daB die Menge der nichtmetallischen Einschlüsse mit wachsendem
Titangehalt zunimmt (Abb. 2 a-2 e) ; bei dem Stahl mit einem Titangehalt von
2,11 % finden sich häufig Stellen mit örtlicher Anreicherung der Einschlüsse
(Abb. Ze). Die EinschluBmenge ist bei dem 0,5%igen Mo-Stahl (Abb. Zf) und
bei dem 13%igen Cr-Stahl (Abb. 2g) wesentlich geringer als bei den Stählen mit
Titanzusatz; die Einschlüsse bei dem Cr-Stahl sind etwas zahlreicher und gröber
ausgebildet als bei dem Mo-Stahl.
2. Prüfstahformen
Die Herstellung der Prüfstäbe für die Zug- und Schwingungsversuche bei
Raumtemperatur und 500° C sowie für die Dauerstandversuche bei 500° C erfolgte
durch Drehen und Schleifen stets nach der Wärmebehandlung der Probenroh
linge. Die Prob en für die Zugversuche bei 20° C entsprechen der üblichen zylin
drischen Form mit Gewindeköpfen, einem Durchmesser in der Prüfstrecke von
10 mm und einer Mef31änge L = 10 X d. Die Prüfstrecke für die Warmzug- und
Dauerstandversuche waren gleichfalls als zylindrische Rundstäbe mit Gewinde
köpfen ausgebildet, bei denen die MeBstrecke zur Anbringung der DehnungsmeB
einrichtung durch angedrehte Bunde festgelegt war.
Form und Abmessungen der für die Schwingungsversuche benutzten Prüfstäbe
sind in Abb. 3 wiedergegeben. Zur Prüfung gelangten sowohl ungekerbte als
auch gekerbte Proben; die Formzahl O(k der letzteren beträgt rd. 4,31• Die zylin
drische Prüfstrecke der Stäbe wurde auf einer Rundschleifmaschine geschliffen
und bei den Vollstäben anschlieBend längspoliert. Die 60 -Kerben wurden mit
0
einem Drehstahl eingearbeitet; der Kerbgrund wurde nicht durch Polieren nach
bearbeitet. Die Gleichmäf3igkeit der Kerbform und -abmessungen, vor allem der
Kerbabrundung, wurde mit einem Profilprojektor bei 50facher VergröBerung
nachgeprüft.
3. Versuchsverfahren und Prüfeinrichtungen
Die Durchführung der Zugversuche bei ZOo C erfolgte an je drei Einzelproben der
verschiedenen Stähle unter Zugrundelegung der in DIN 50145 festgelegten
Richtlinien [14] auf einer 35-t-ZerreiBmaschine der Bauart Losenhausen mit
1 Berechnet unter Verwendung der Formzahl-Diagramme von H. NEUBER [13].
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einem Lastbereich von 17,5 t. Die Bestimmung der Kennwerte im Warmzug
versuch bei 500°C (DIN 50112) wurde an je zwei Proben jeder Versuchsreihe mit
Hilfe einer Warmprüfeinrichtung und eines Martensschen Spiegelgerätes auf
einer 50-t-ZerreiBmaschine d!!r Bauart Amsler mit einem Lastbereich von 10 t vor
genommen. Für den 0,5%-Mo-bzw. 13%-Cr-Stahl wurden die Warmfestigkeits
eigenschaften auch für 400 bzw. 600° C bestimmt. Die Ermittlung der D V M
Kriechfestigkeit erfolgte an einigen Versuchsstählen unter Anlehnung an DIN
50117 für eine Temperatur von 500 bzw. 400 und 600°C, und zwar wurde als
DVM-Kriechfestigkeit diejenige Spannung angegeben, bei der nach einer Ver
suchszeit von 45 h die bleibende Dehnung ~ 0,2% beträgt oder die Dehnge
schwindigkeit in der 25.-35. h den Wert von 10· 10-4°lo/h nicht überschreitet.
Diese Versuche wurden auf Einproben-Dauerstandmaschinen der Bauart Losen
hausen mit optischer Registrierung der Zeit-Dehnungs-Kurven ausgeführt.
Für einige der Versuchsstähle wurden ferner in Zeitstandversuchen nach DIN
50118/50119 [14] in einer federbelasteten Vielprobenmaschine bei 500°C die
Spannung-Bruchzeit-Linien ermittelt2•
Die Dauerschwingversuche wurden in Anlehnung an die in DIN 50100 [14] festge
legten Richtlinien unter Zug-Druck-Beanspruchung nach dem WÖHLER-Ver
fahren ausgeführt, und zwar mit der Mittelspannung Null und Prüffrequenzen
von 500 bzw. 666/min. Verwendet wurden zwei ölhydraulische Pulsatoren
VHS 35 t und 60 t der Bauart Losenhausen. Diese Maschinenanlagen setzen sich
aus einer Vniversalprüfmaschine mit zwei gegenläufigen Belastungskolben, dem
Schaltpuit mit zwei Ölförderpumpen und den Kraftanzeigegeräten sowie dem
Pulsator zur Erzeugung des wechselnden Öldrucks und einem Druckausgleichs
behälter zusammen [15, 16]. In einem Belastungszylinder wird eine Druckbela
stung erzeugt, die als ruhende Last auf den Prüfstab einwirkt; der zweite Zylin
der der Prüfmaschine, der zum Aufbringen der Zugbelastungen dient, steht unter
wechselndem Öldruck. Die Schwingweite, d. h. der Pulsatorhub bzw. das pul
sierende Ölvolumen, wird durch Verschieben des auf einem Schlitten befindlichen
Pulsatorzylinders eingestellt. Die Öl-Leckverluste in den beiden Arbeitszylindern
und die damit verbundenen Lastschwankungen werden durch eine automatische
Konstanthaltung ausgeglichen.
Zur Erwärmung der Prüfstäbe auf die entsprechende Prüftemperatur dienten
elektrisch beheizte Luftöfen [16] mit einem Innendurchmesser von 110 mm,
einem AuBendurchmesser von 300 mm und einer Länge von 500 mmo
Die mit Gewindeköpfen ausgeführten Probestäbe werden in zwei mit Wärme
stauscheiben versehenen Stabverlängerungen aus warmfestem Werkstoff ver
schraubt und so in den Ofen eingesetzt, daB Proben- und Ofenmitte zusammen
fallen. Durch eine besondere Anordnung der Heizwicklung und durch eine gute
Wärmeisolierung des Ofens konnte erreicht werden, daB die Versuchstemperatur
längs der Prüfstrecke nur Vnterschiede von höchstens ± 2°C gegenüber der
2 Diese Vers uche wurden in der Staatl. Materialprüfungsanstalt der Techn. Hochschule
Darmstadt durchgeführt, der auch an dieser Stelle für die überlassung der Versuchs
werte vielmals gedankt sei.
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Solltemperatur aufwies. Die Heizwicklung des Ofens wurde unter Zwischen
schaltung eines feinstufig einstellbaren Regeltransformators an das Wechselstrom
netz 220 V angeschiossen, dessen Spannung durch einen Regier mit ± 0,5%
Genauigkeit konstant gehalten wird. Zur Temperaturmessung sind zwei Eisen
Konstantan-Thermoelemente angebracht, die in besonderen Bohrungen durch
die Ofenmäntel geführt sind. Eines der Elemente liegt fest an der Innenseite des
Heizrohres, das andere wird zur Messung der Stabtemperatur in der Mitte der
MeBstrecke an die Staboberfl.äche herangeführt; mit letzterem wird die Einstellung
und Regelung der Stabtemperatur vorgenommen. Nach Zusammenbau des
Prüfstabes mit den Stabverlängerungen und Einsetzen in den Heizofen werden
die Stabverlängerungen mit den Einspannköpfen der Maschinen kraftschlüssig
verbunden. Danach erfolgt das Aufheizen des Ofens auf die erforderliche Prüf
temperatur unter einer V orlast der Prüfeinrichtung von 1 t. Die Aufheizdauer
sowie die Art der Lastaufbringung auf die Probe wurde bei allen Versuchen
gleich gehalten. Das Aufbringen der Wechsellast erfolgte nach Erreichen der
Solltemperatur und Halten von 2 h in der Weise, daB die Zug- und Druckbe
Iastung gleichmäBig um die Mittellast der Probe bis zu ihrem Nennwert gesteigert
wurde.
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lIl. Versuchsergebnisse
1. Statische Vers uche
Die in Zugversuchen bei 20° C sowie in Warmzugversuchen bei 500° C ermittelten
mechanischen Kennwerte der Versuchswerkstoffe sind zusammen mit den Werten
der für 500°C bestimmten DVM-Kriechfestigkeit in Tab. 2 wiedergegeben.
Während die Zugfestigkeiten für 20° C den Bereich von rd. 48 bis 112 kg/mm 2
umfassen, erstrecken sich die Warmzugfestigkeitswerte für 500° C über einen
Bereich von rd. 35 bis 76 kg/mm2.
2. Einzelwerte der Schwingungsversuche
Die an ungekerbten und gekerbten Proben der verschiedenen Werkstoffe und
für verschiedene Temperaturen erhaltenen Einzelwerte der Schwingungsversuche
sind in den Tab. 3-10 zusammengestellt und als Anhang dies er Arbeit beigefügt.
In diesen Tabellen sind unter Kennzeichnung der Stabform und Prüftemperatur
für jede Probe ihre Abmessung im Prüfquerschnitt, die Prüffrequenz und die
Prüfbelastung sowie die bis zum Versuchsende erreichte Lastspielzahl in Mill.
und die hieraus berechnete Laufzeit in Stunden angegeben.
3. WÖHLER-Linien
Die bei den Dauerschwingversuchen erhaltenen Wertepaare von Spannungsaus
schlag und Lastspielzahl sind für ungekerbte und gekerbte Proben der einzelnen
Versuchswerkstoffe unter Kennzeichnung der Prüftemperatur in Form der be
kannten WÖHLER-Linien in den Abb. 4-11 zusammengestellt.
Für die bei Raumtemperatur geprüftenglatten Proben der verschiedenen Werkstoffe
liegt der Übergang vom Zeit- zum Wechselfestigkeitsbereich bei etwa 106 bis
107 Lastspielen, d. h. die bei 20° C in einem Werkstoff ablaufenden V orgänge
führen unterhalb einer bestimmten Grenzbelastung, nämlich der Wechselfestigkeit,
nicht mehr zu einem Versagen des Werkstoffs durch Dauerbruch.
Einen ähnlichen Verlauf der WÖHLER-Linien wie bei 20°C zei gen die bei einer
Temperatur von 500° C geprüften ungekerbten Pro ben der Stähle mit 2,11% Ti
(Abb. 8), mit 0,5% Mo (Abb. 10) und mit 13% Cr (Abb. 11). Beim Übergang
zu höheren Temperaturen weisen die glatten Proben der übrigen Versuchswerk
stoffe nach Überschreiten von etwa 106 Lastspielen eine beträchtliche Abnahme
der ertragbaren Spannungsamplituden auf (vgl. Abb. 4, 5, 6, 7 und 9), so daS
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