Mechanische und physikalische Prüfverfahren zur Ermittlung der Vorgänge bei der Abschreck- und Verformungsalterung PDF
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DK 621.785.784 FORSCH U NGSB ER ICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFAlEN Herausgegeben durch das Kultusministerium Nr.957 Prof. Dr.-Ing. Dr.-lng. E. h. Hermann Schenck Prof. Dr.-Ing. Eugen Schmidtmann Dr.-Ing. Helmut Brandis Institut für Eisenhüttenwesen der Technischen Hochschule Aachen Mechanische und physikalische Prüfverfahren zur Ermittlung der Vorgänge bei der Abschreck- und Verformungsalterung Als Manuskript gedruckt WESTDEUTSCHER VERLAG / KOLN UND OPLADEN 1961 ISBN 978-3-663-03720-0 ISBN 978-3-663-04909-8 (eBook) DOI1 0.1007/978-3-663-04909-8 G 1 i e der u n g 1. Einführung und Begriffsbestimmung. S. 5 1.1 Theorie der Abschreckalterung S. 6 1.2 Theorie der Reckalterung S. 7 2. Einfluß von Seigerungen, Kaltverformung und Alterungs behandlung auf die Kerbschlagzähigkeit unberuhigter, weicher Baustähle • . • . . • • • • S. 8 2.1 Einfluß der Seigerungen auf den Verlauf der Kerb- schlagzähigkeits-Temperatur-Kurven S. 10 2.2 Einfluß von Kaltverformung und Alterung auf die Eigenschaften verschiedener Stähle S. 15 2.3 Folgerungen •••••• S. 22 3. Untersuchung von Aushärtungs- und Reckalterungs vorgängen durch magnetische Differenzmeßverfahren • S. 25 3.1 Das Magnatest-Gerät . • • • •••••••• S. 26 3.2 Verfolgung von Abschreck- und Reckalterungs- . . . . . vorgängen an Thomasstahl S. 27 4. Einfluß unterschiedlicher Wärmebehandlung auf den spezifi schen elektrischen Widerstand von weichem, unberuhigtem Thomasstahl und aufgekohltem Reineisen während der Abschreck- und Verformungsalterung S. 32 5. Zusammenfassung •.. S. 43 6. Literaturverzeichnis S. 45 Seite 3 1. Einführung und Begriffsbestimmung Als Alterung bezeichnet man die Erscheinung, daß ein Stahl gewisse seiner Eigenschaften im Laufe der Zeit ändert. Wurde der Stahl einer Glüh- und Abschreckbehandlung unterzogen, so werden die sich zeigenden Alterungserscheinungen als "Abschreckalterung~ bezeichnet; folgen die Alterungserscheinungen aber auf ein Dehnen oder Stauchen bei Raum temperatur, so spricht man von "Reck- oder Verformungsalterung~. Der zeitliche Verlauf der Alterung ist stark temperaturabhängig. In der sehr umfangreichen Literatur findet man mit weitgehender Übereinstimmung, daß der Kohlenstoff und der Stickstoff als Ursache für die Alterung an zusehen sind. Eine mögliche Mitwirkung von Sauerstoff ist noch umstrit ten. Eine ausführliche Zusammenstellung über den Stand der Alterungs forschung bringt WEPNER [1J. Eine Änderung der statistischen Verteilung der im Stahl gelösten C- und N-Atome bringt eine Änderung der Materialeigenschaften mit sich: Die Streckgrenze einer vom A1-Punkt abgeschreckten Stahlprobe steigt während einer Auslagerung in einem Maße an, das durch die Höhe der Anlaßtemperatur bestimmt wird [2J. Nach einer Kaltverformung verschwin det der Streckgrenzendehnbereich und erscheint wieder bei einer Aus lagerung [3, 4J. Über das Verhalten der Zugfestigkeit liegen keine aus führlichen Untersuchungen vor. Mit einer Auslagerung erfolgt ein An stieg der Festigkeit bis zu einem Maximum. Bei gleicher Anlaßtemperatur [5, 6J. nimmt die Zugfestigkeit mit steigendem Reckgrad zu Die Härte verläuft bei einer Auslagerung nach einer Abschreckbehand lung über einen Höchstwert und fällt dann wieder ab. Das zeitliche Auftreten und die Höhe des Härtemaximums wird durch die Auslagerungs temperatur bestimmt [6, 1J. Der Steilabfall der Kerbschlagzähigkeit Temperatur-Kurven wird durch eine Abschreckalterung zu höheren Tempe [6J. raturen verschoben Gereckte Proben zeigen einen Abfall der Hoch lage und eine Verschiebung des Übergangsgebietes mit der Auslagerung zu höheren Temperaturen [8J. Der elektrische Widerstand fällt mit zunehmender Auslagerungszeit ab. Die Anlaßtemperatur und der Kaltverformungsgrad sind für die Änderungs geschwindigkeit und den Auslagerungsverlauf verantwortlich [9, 10, 11J. Die Koerzitivkraft nimmt mit der Auslagerung bis zu einem Maximum lang sam zu und sinkt dann wieder ab [12J. Bei Erhöhung der Anlaßtemperatur wird die Auslagerung beschleunigt. Mit steigendem Reckgrad erfährt Seite 5 die Koerzitivkraft eine Zunahme, die durch Anlassen noch verstärkt werden kann. 1.1 Theorie der Abschreckalterung Für die heutigen Vorstellungen des Alterungsablaufes sind die Ausschei dungs- und Wachstumsvorgänge von großer Bedeutung. Voraussetzung für einen Alterungseffekt ist eine mit abnehmender Temperatur geringer werdende Löslichkeit im Alpha-Eisen (C; N). So muß für eine abgeschreck te Probe eine an C und N übersättigte Lösung angenommen werden, die bald nach dem Abschrecken dem Gleichgewichtszustand zustrebt. Theoretisch wurde der zeitliche Ausscheidungsverlauf von WERT [13, 14J untersucht. Abgeleitet aus der Wachstumstheorie von ZENER [15J stellt er ein Zeitgesetz für den Ausscheidungsverlauf auf. Mit der Annahme, daß alle Keime für die Ausscheidung nach Abschrecken von der Glühtemperatur gebildet sind, und daß die Ausscheidungsgeschwin digkeit proportional dem gelösten Kohlenstoff ist, kann die zeitliche Abhängigkeit der Ausscheidung formuliert werden: d W (t) [1 - W (t)J . f (t) dt Wausgeschiedener Kohlenstoff [%] 1 - W = gelöster Kohlenstoff [%J W (t) = 1 - exp. [- ~tf (t) • dtJ Das allgemeine Zeitgesetz kann für das Wachstum bei einem Ausscheidungs verlauf übernommen werden [13, 15J. l t t n o f (t) . d t = (y) ist eine Zeitkonstante, die von der Anfangskonzentration und der ~ Auslagerungstemperatur abhängt, n ist ein Exponent, der für die Ausla gerung konstant sein soll. Es ergibt sich also: t n W (t) 1 - exp. [- (-=f) J c (t) = 1 _ c (t) W (t) c c o o c o log In - = k • log t - K . log t c t Seite 6 c Für t = t ist ln ~c = 1, d.h. die Abklingzei t t ist die Zeit, bei c t o der -- = eist. c t Als Steigungsmaß fand WERT [13J einen n-Exponenten zwischen 1,2 und 1 ,7. Das oben aufgeführte Zeitgesetz gibt den Ausscheidungsverlauf bis % W (t) = 60 wieder. Bei Berücksichtigung der Wachstumsgeschwindigkeit einer kugeligen Ausscheidung (n = 3/2) erhält man: 3/ t 2 W (t) 1 - exp. - (-y) Die Endkonzentration, die sich nach der Auslagerung einstellt, müßte der Gleichgewichtskonzentration entsprechen, die sich bei der betref fenden Temperatur einstellt. Sie entspricht der Löslichkeit des Kohlen stoffs bzw. Stickstoffs bei der entsprechenden Temperatur im Alpha Eisen [16, 17, 18J. Die Kohlenstoff- und Stickstoffausscheidung erfolgt bei einer Auslagerung nach einer Abschreckbehandlung unbeeinflußt von einander, wie aus Dämpfungsmessungen festgestellt wurde [19J. 1.2 Theorie der Verformungsalterung Zur Deutung der Verformungsalterung sind eine Reihe von Folgerungen aus der Versetzungstheorie wichtig. Durch eine Verformung steigt die Zahl der Versetzungen im Alpha-Eisen gegenüber ihrem ursprünglichen Wert im unverformten Zustand stark an. Eine Versetzung ruft in ihrer Umgebung eine Verspannung des Gitters hervor; sie ist also eine Stelle erhöhter Gitterenergie. Diese Verspannungen des Gitters werden durch die Einwanderung von gelösten Atomen herabgesetzt [20J; da ein sich selbst überlassenes System einen Zustand der geringsten Energie an strebt, haben die gelösten Atome das Bestreben, sich in den Versetzun gen anzusammeln [21, 22, 23J. Die Bindung in einer Versetzung ist stär ker als in einem Karbid- bzw. Nitridteilchen [24J. Die Zahl z (t) der Kohlenstoffatome, die in der Zeit t je Raumeinheit zu den Versetzungen wandern, erhält man, wenn man die Zahl z'(t) der Atome je Längeneinheit der Versetzungen mit der Zahl L der Versetzun gen je Flächeneinheit multipliziert: z (t) 7 Seite NA Anfangskonzentration des C-Gehaltes D Diffusionskoeffizient K Boltzmann'sche Konstante T Absolute Temperatur -20 / 2 A 1,5· 10 dyn cm tt 3 (dimensionslos) Nach einer gewissen Zeit der Wanderung der C-Atome in die Versetzungen ist zu erwarten, daß die Diffusionshöfe, die zu den einzelnen Versetzun gen gehören, sich überschneiden. Dies wird berücksichtigt, indem die Einlagerungsgeschwindigkeit in Proportionalität zu dem noch in der Um- gebung vorhandenen Kohlenstoff [1 - U (t)J gesetzt wird [25J. 1/ t - 3 d U (t) [1 - U (t)] dt Der in die Versetzungen eingebaute Teil der Atome ist dann gegeben durch: Diese Formel gilt nur dann, wenn die Zahl der C-Atome gegenüber der Zahl der Versetzungen groß ist. Wird ein Material verformt, so tritt bei einer anschließenden Auslage rung eine Beschleunigung der Alterungserscheinungen auf. In einem ver zerrten Gittergebiet vollziehen sich die Keimbildung und das Keim wachstum schneller, da die Diffusion wegen der inneren Spannungen be schleunigt wird und die Diffusionswege durch die größere Anzahl von Keimbildungsstellen verkürzt sind [26J. Den Unterschied zwischen dem Auslagerungsverlauf eines verformten und eines unverformten Werkstoffes erkennt man theoretisch am Exponenten n der Zeit. Der Exponent n = 2/3 für die verformten Proben bedeutet nach der Theorie Einwanderung der gelösten Atome in die Versetzungen, während der Exponent n = 7/6 für die abgeschreckten Proben eine Ein wanderung und eine Ausscheidung möglich erscheinen läßt. 2. Der Einfluß von Seigerungen, Kaltverformung und Alterungsbehandlung auf die Kerbschlagzähigkeit unberuhigter weicher Baustähle An die Baustähle werden oft neben den Forderungen nach bestimmten Festigkeitseigenschaften noch weitere Forderungen gestellt, die durch Seite 8 die zur Zeit verfügbaren Verfahren bei der Erschmelzung der Stähle oft nur bedingt erfüllt werden können. So wird der genormte Baustahl St 37 als unberuhigter oder beruhigter Thomasstahl hergestellt, in Sonder verfahren erblasen oder als Siemens-Martin-Stahl geliefert. Entsprechend ihrer metallurgischen Vorgeschichte unterscheiden sich diese Stähle zwar nicht in den Festigkeitswerten, aber zum Teil je nach Art und Ge halt der in den Querschnitten des Werkstoffs enthaltenen Stahlbegleit elementen erheblich in ihren sonstigen Gebrauchseigenschaften, z.B. der Kerbschlagzähigkeit nach einer Kaltverformung oder Verformungs alterung. Bei den unberuhigten Baustählen können große Unterschiede in der Ver teilung der Stahlbegleitstoffe in Blockkopf und -fuß oder Blockrand und -kern auftreten. Der Ort der Probeentnahme ist daher bei der Prü fung der Eigenschaften um so bedeutungsvoller, als die geseigerten Begleitstoffe für den Abfall der Kerbschlagzähigkeit verantwortlich gemacht werden. Zahlreiche Untersuchungen der vergangenen Jahre hatten daher zum Ziel, den Einfluß der Stahlverunreinigungen, der Desoxydation, der Abschreck- und Verformungsalterung sowie der Abkühlbedingungen auf die mechanischen Eigenschaften, besonders auf das Verhalten der Stähle bei schlagartiger Beanspruchung zu ermitteln. Dabei wurde festgestellt, daß die Abnahme der Kerbschlagzähigkeit nach einer Verformungsalterung wesentlich durch die Gehalte im Stahl an Phosphor, Sauerstoff und Stickstoff verursacht wird, wobei aber auch der Kohlenstoffgehalt und die Anwesenheit anderer Legierungsstoffe des Stahles von Einfluß sind. Die Alterungsversprödung wurde allgemein mit der "Unreinheit" des Stah les in Verbindung gebracht, wobei bereits nach STROMEYER der Gehalt (% P + 5 %N ) nicht größer als 0,08 %s ein soll. Die Einflüsse der einzelnen Stahlbeimengungen auf die Kerbschlagzähig keit des Stahles nach Normalglühen, anschließendem Kaltverformen oder Altern, wurden jedoch nicht getrennt erfaßt. Ferner ist zu bemerken, daß die chemische Zusammensetzung der Proben aus unberuhigtem Stahl meist nur durchschnittlich, d.h. auf den ganzen Probenquerschnitt be zogen, ermittelt wurde und keine Rückschlüsse auf die Eigenschaften der geseigerten Zonen zuließ. Bei der Untersuchung der Abhängigkeit der Flächenwerte unter den Kerbschlagzähigkeit-Temperatur-Kurven vom Phos phor- und Stickstoffgehalt traten daher große Streuungen auf. Darauf dürfte es u.a. zurückzuführen sein, daß ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Gehalt an Verunreinigungen und der Kerbschlagzähigkeit Seite 9 nach unterschiedlicher Wärmebehandlung, Kaltverformung und Alterungs behandlung noch nicht gefunden wurde, trotz Anwendung zahlreicher Probe formen, Prüf- und Auswertungsverfahren bei den Untersuchungen. Das Verhalten der Stähle bei Schlagbeanspruchung kann durch eine Reihe von Herstellungsbedingungen beeinflußt werden, so z.B. durch 1. Das Erschmelzungsverfahren, da es unmittelbar oder mittelbar für den Gehalt des Eisens an erwünschten und unerwünschten Begleitstof fen verantwortlich ist, 2. die Erstarrungsbedingungen und die Formgebung des Stahles, durch die die Lage und das Ausmaß der Seigerungen beeinflußt wird, 3. Die Wärmebehandlung und Abkühlbedingungen, die den Gefügeaufbau und die Verteilung der Verunreinigungen bedingen, 4. Art und Ausmaß einer Kaltverformung, 5. Entmischungs- und Ausscheidungsvorgänge nach Abschreck- oder Verformungsalterung, 6. Probeform, Beanspruchungsart, Spannungszustand, Versuchsgeschwindig keit und Prüf temperatur. In der vorliegenden Arbeit ist die Bedeutung einiger dieser Einfluß größen untersucht worden. Es wird über zwei Versuchsreihen berichtet. Bei der ersten wurde die Kerbschlagzähigkeit der Stähle in Abhängigkeit von den Seigerungsverhältnissen untersucht; in der zweiten Versuchs reihe sollte der Einfluß einer Kaltverformung und einer anschließenden Alterungsbehandlung auf die Lage der Kerbschlagzähigkeit-Temperatur Kurven und die Festigkeitswerte überprüft werden. Die Kerbschlagzähig keit-Temperatur-Kurven wurden mit DVM-Proben ermittelt; bei den Alte rungsuntersuchungen wurden zusätzlich Untersuchungen an DVMF-Proben durchgeführt, wie sie zum Teil auch betrieblich zur Kennzeichnung der Sprödbruchunempfindlichkeit herangezogen werden. 2.1 Einfluß der Seigerungen auf den Verlauf der Kerbschlagzähigkeit Temperatur-Kurven Als Versuchswerkstoffe dienten unberuhigter Thomasstahl, unberuhigter, nach Sonderverfahren erblasener Stahl und unberuhigter Siemens-Martin Stahl mit ungefähr gleicher chemischer Zusammensetzung in der Stück analyse (Abb. 1). Die Stähle waren auf 45 mm dicke Vorbrammen, 15 mm dicke Platten, sowie 50 mm dicke Vierkantknüppel verwalzt worden. Um Seite 10 Stohl· Th()mo"'ohl I1ri(/aJstctIhers' .$nfa~hal _ $~-Mqr'i,,-StI1frI Iitg'l,',t,.iAlm0Asn t Y' 81$0C1tfU1{J I l/Io0oc.1,kz1kt3Dq8 pf 610o0C.,0al8twf$u Q 1I 810 (o)C,,I1JuJtIoSW fJf 810ooC,.o1~tnfu P 1I 81O l0J.C1,111'3t//(8tI o pf 8,/m 0.018 lJ,IJ13 0.01& 11.1112 o ThOlllOSGTahl ~ noch SorrderrerfDlrrefI er&losener Stahl • $r'emellS-!I.oI'Ir,"-$to11l O,1Z 0.12 0.12 aa1il 0.1 0.11 0.11 0,1111 .. 0.10 0.10 0.10 ;fl O,fJ1() .1;0,(19 ~0,1J9 ;;t0,l)J -I; O,OOS ~4081- -1;0.01 -1;0.111 ~o.«>I' ~0,1J'I~ ~o.lJ'I ~o.lJ'I ~o.lXJ'I ~~o4.O!O-ö~ l~o.l!5 ~~o0.,lDI6f' ~'" 00,.000058 "~,00.A010 ~o,0.O0J0 .~!iD,4/OJfJ l:;~; (O\,O(OJ(I)';j 0.112 a.oz O,IIOiI 0.01 0,/101 0 Fuß /topf /topf o f;O /topf' A b b i I d u n g 1 Chemische Zusammensetzung der untersuchten unberuhigten Stähle verschiedener Erschmelzungsart. (Probenahme aus der Seigerungszone von 45 mm dicken Brammen aus Blockfuß und -kopf) den Einfluß der Seigerungen im Gußblock unberuhigter Stähle auf die Kerbschlagzähigkeit untersuchen zu können, wurden alle Proben der Sei gerungszone aus dem Blockkopf und dem Blockfuß entnommen, die Unter schiede im Gehalt an Verunreinigungen aufwiesen. Wie Abbildung 1 zeigt, waren die Kohlenstoff-, Phosphor-, Schwefel- und Stickstoffgehalte im Gußblock wegen der Seigerungen stark unter schiedlich, während sich die Mangan- und Sauerstoffgehalte in den ver schiedenen Zonen nicht wesentlich unterschieden. Auch die Baumann Abdrucke (Abb. 2 bis 4) wiesen bei allen Stählen und Walzabmessungen aus dem Blockkopf auf starke Seigerungen hin. Dementsprechend war die Lage der an Proben aus dem stärker geseigerten Blockkopf ermittelten Kerbschlagzähigkeit-Temperatur-Kurve deutlich verschieden von der der an Proben aus dem schwächer geseigerten Blockfuß ermittelten Kurven. Die Verminderung der Werte für die Kerbschlagzähigkeit war bei höheren Temperaturen um so größer, je höher der Gehalt an Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel und Stickstoff war. Die an Proben aus dem Fuß der Blöcke er mittelten Werte für die Kerbschlagzähigkeit unterschieden sich daher bei gleicher Stahlsorte nur wenig. Der Abfall der Werte für die Kerbschlagzähigkeit war beim unberuhigten üblichen Thomasstahl etwas größer als bei dem nach Sonderverfahren er blasenen Stahl und dem Siemens-Martin-Stahl, die eine geringere Seige rung von Phosphor und Schwefel aufwiesen. Da die Seigerungszonen in Seite 11
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