Härten und Vergüten des Stahles

71 Pages·1953·5.898 MB·German

by  Hugo Herbers (auth.)

WERKSTATTBÜCHER
FDa BETRIEBSANGESTELL'rE, KONSTRUKTEURE UND FA.CH
A.RBEITER. HERAUS6E6EßEN VON DR.-mG. H. HA.A.KE, HA.MBURG
Jede. Heft 50-10 Seiten .tark, mit .ahlreichen Abbildungen
Die Wer k s tat t b ü c her behandeln das Gesamtgebiet der Werkstatt!.
technik in kurzen selbtltändigen Einzeldarstellungen: anerkannte Fachleute
und tuchtige Praktiker bIeten hier das Beste aus ihrem Arbe!tsfeld, um ihre
Fachgenossen schnell und gründlich ID die Betriebspraxis einzuführen.
Die Werkstattbücher stehen wIssenschaftlich und betriebstechnisch auf der
Höhe, sind dabei aber im besten Hinne gemeinverständlich, so daß alle im
Betrieb und auch im Büro Tätigen, vom vorwärtsstrebenden Facharbeiter bis
zum leitenden Ingenieur, Nutzen aus ihnen ziehen können.
Indem die Sammlung so den Einzelnen zu fördern sucht, wird sie dem Betrieb
als Ganzem nutzen und damit auch der deutschen technischen Arbeit im
Wettbewerb der Völker.
Einteilung der bisher erschienenen Hefte nach Fachgebieten
J. Werkstoffe, Hiltsstoffe, Hi1fsverfahren HeU
Der Grauguß. 3. Aun. Von Chr. Gilles ••....••...•••••...•.•••.•••.•..•...••.• 19
Einwandfreier Formguß. 3. Aun. Von E. Kothny (Im Druck)................... 30
Stahl· und Temperguß. 3. Aun. Von E. Kothny (Im Druck). • • . • • • . • • • • • . . • • • . • . • 24
Die BauBtähle für den Maschinen· und Fahrzeugbau. Von K. Krekeler. • • • • • • • • • • • . • 75
Die Werkzeugstähle. Von H. Herbers ••••••" . . . . • • • • • • • • • . • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • 50
Nichteisenmetalle I - Kupfer, Messing, Bronze, Rotguß -.2. Aufl. Von R. Hinzmann 45
Nichteisenmetalle 11 - Leichtmetalle -. 2. Anfl. Von R. Hinzmann. •••••••••••••• 53
Härten und Vergüten des Stahles. 6. Aun. Von H. Herbers ••••••.•....••.•••••••• 7
Die Praxis der Warmbehandlung des Stahles. 6. Aun. Von P. Klostermann. ••••••••• 8
Elektrowarme in der Eisen· und Metallindustrie. 2. Aufl. Von O. Wundram......... 69
Brennhärten. 2. Aufl. Von H. W. Grönegreß....... • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 89
Hitzehärtbare Kunststoffe - Duroplaste -. Von A. NielBen t .................... 109
Nichthärtbare Kunststoffe - Thermoplaste -. Von H. Determann •..•••••••..•.• 110
Die Brennstoffe. 2. Aufl. Von E. Kothny (Im Druck). • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • 32
01 im Betrieb. 3. Aufl. Von K. Krekeler u. P. Beuerlein •••••••.••••.•••••••••••• 48
Farbspritzen. 2. Aufl. Von R. Klose.... • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • • • • • • • • • . • • • • • • • 49
Anstrichstoffe und Anstrichverfahren. Von R. Klose ••••••.••••.•.••••••••••.•.••• 103
Rezepte für die Werkstatt. 5. Aufl. Von F. Spitzer............................... 9
Furniere-Sperrholz-Schichtholz I. 2. Aufl. Von J. Bittner...................... 76
Furniere-Sperrholz-Schichtholz 11. 2. Aufl. Von L. Klou.................. ••. •• 77
u.
Spangebende Formung
Die Zerspanbarkeit der Werkstoffe. 3. Aun. Von K. Krekeler..................... 61
Hartmetalle in der Werkstatt. Von F. W. Leier.................................. 62
Gewindeschneiden. 5. Aufl. Von O. M. Müller.... .... .•••.•••.••.. •...••. •••..•• 1
Wechselräderberechnung für Drehbänke. 6. Aufl. Von E. Mayer................... 4
Bohren. 4. Aufl. Von J. Dione bier. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . • • . . • • • • . . . . • • 15
Senken und Reiben. 4. Aufl. Von J. Dinnebier. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • . . • • • • • • 16
Innenräumen. 3. Auß. Von A. Schatz... • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 26
(Forl8clzußg 3. Ul1J8chlag.sil')
• •
WERKSTATTBUCHER
FÜR BETRIEBSANGESTELLTE, KONSTRUKTEURE UND FACH
ARBEITER. HERAUSGEBER DR.-ING. H. HAAKE, HAMBURG
HEFT 7
HärteIl und Vergüten
des Stahles
Von
H ugo Herbers
Ingenieur-Chemiker in Remscheid
S echst e völlig umgearbeitete und vermehrte .Auflagt'
(38. bis 43. Tausend)
Mit 107.Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
1953
Inhaltsverzeichnis.
Seite
Vorwort 3
I. Eigenschaften des Stahles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1. Roheisen und Stahl S. 3. - 2. Mechanische und physikalische Eigenschaften S. 4. - 3. Festig·
keitsgroCen bei ruhender (statischer) Be!astung S. 4. - 4. Festigkeitsgrollen bei wechselnder,
schwingender und stoJlartiger (dynamischer) Be!astung S. 5. - 5. Hărte und Hărtepriifung S. 6.-
6. Einflull des Kohlenstoffgehaltes aufdie Festigkeitsgiitewerte von Stahl S. 7. -7. Bedeutung der
mechanischen Giitewerte fiir die Konstruktion S. 8.-8. Bedeutung der mechanischen Giitewerte fiir
die Werkstatt S. 9.
II. Gefugeaufbau des Stahles ....................... . 9
A. Kristall und Raumgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .......•... 9
9. Kristallines Gefiige der Metalle S. 9.-10. Der Feinbau der Kristalle S. 10.-11. Das Raumgitter
des reinen Eisens S. 10. ·
B. Gefiigeaufbau der Eisen-Kohlenstoff·Legierungen nach !angsamem Abkiihlen . . . • . . . • . . 11
12. Bruchaussehen und Gefiigebild S. 11. - 13. Gefiige bei gewohnlicher Temperatur 8. 12. -
14. Gefiige bei hi:iherer Temperatur S. 12. - 15. Gefiigeumwandlung bei ]angsamer Abkiihlung und
Erwărmung S. 14. - 16. Physikalische Erscheinungen bei langsamer Abkiihlung oder Erwărmung
8.15.
C. EinfluC der roechanischen Behandlung auf das Gefiige . . . . • . . . . . . . . . . . . . • • 17
17. Gefiigeund mechan. Eigenschaften 8.17.- 18. Warmverformen 8.17.-19. Kaltverformen S.18.
III. Gliihen des Stahles ............. . 18
20. Zweck des Glilhens S. 18. - 21. Fehler beim Glilhen S. 22.
IV. Hărten und Vergiiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
A. Bedeutung und Einflull auf die mechanischen Giitewerte . . . . . . . . . . . . . . . • . . • 23
22. Einflull des Abschreckens auf die mechanischen Giitewerte 8. 23. - 23. Einflull der Abschreck·
tempera tur S. 25. - 24. Einflull des Anlassens S. 26. - 25. Anlassen von hochgekohltem Stahl
8. 26. - 26. Anlassen von nledrig gekohltem Stahl S. 27.
B. Ănderungen lm Gefilgebau durch rasches Abkilhlen und Anlassen . . . . . . . . . . . . . . . 28
27. Gefiigeg!eichgewicht S. 28. - 28. Gefilge nach schroffem Abschrecken S. 29. - 29. Kritische
Abkilhlungsgeschwindigkeit S. 29. - 30. Gestuftes Abschrecken S. 30. - 31. Gefiige nach ver·
schieden hohen Al:>schreckgeschwindigkeiten 8. 30. 32. Ranmănderung durch Abschrecken
uSSn.. d33 15.D. u--rch33h38ă. .rH tăDurontpgept heSel.to e3rs4i .eA n-n lSa.3s 3s62e. n G -evfoi3nl4 g.le eRăgniidceehrrtteiugmneg eHnSă trabthee!it meum npAden rlTaatiseusfrekenin i hSSl. u 3n35g.2 .- -S. 333756. .. AH-ănr!atJe3lt9sep. mrAOpuedsrihgaăktreu­irt
tung (Ausscheidungshărtung) S. 36. - 40. Doppeltes Hă.rten S. 37. - 41. Flammen·, Induk·
tions· und Tauchhărten S. 37. - 42. Hărten aus der Walz· und Schmiedehitze S. 37.
V. Einsatzhărten .........•.................... 38
A. 4E3in. sBatezdheănrttuenng udneds ZEienmseantztiheărretne ns. S. . 3. 8.. -. •4 4.. D. e.r V. o•r l[.a n.g b• e.i m. Z. em. e.n ti. er.e n. S. . 3. 9.. -. .4 5.. D. ie. 38
zementierte Scbicht S. 39. - 46. Zementationsdauer und -temperatur S. 40. - 47. Hărten und
Zwischenbehandlung S. 41.
B. 4H8ă.r tDeans dWurecshe nN idterise rNeint rio. re•n s. S. . . 42. . .- . 4.9 . . D.i e. ni. tr.i er. te. S. ch•i c.h t . S.. 4. 2. .-. 5. 0.. V. er.z u.g •u n•d . V.o r.· 42
behandlung S. 43. - 51. Stahl zum Nitrieren S. 43.-52. Ausfiihrung und Anwendungsgebiet 8. 44.
VI. Unlegierte und legierte Stăhle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
A. Un!egierte und legierte 8tăble im allgemeinen . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . 44
l5e3![.i eUrtnelne gSiteărhtlee SSt.ă 4hl6e .S-. 5464.. L -egi5e4ru. nDgassty Wpeens:e Nni -dSetră lhelgei eSr.t 4en8 .S-tăWh-lSet ăSh. l4e5S. .- 485. 5-.HCaru·pSttgăhrulep pse. n4 d9e.r
Mn-Stăhle 8. 50.-Mehrstoffstăhle S. 50.
B. Unlegierte und !egierte Baustăble, Eimatz und VeJgiitungsstăhle ........•...... 51
57. 1Jbersicht S. 51.-58. Leglerte Baustăhle S. 52.-59. Hilrten aus der Wa!z· nnd Schmiedehitze S. 54.
C. Chrom·Wolfram-Stăhle ...•....... 55
60. Schnell-(Arbelts-) Stilhle S. 5;.
VII. Formiinderungen und Spannungen 60
A. Ranmilndernngen . • . . • . . . . . . • . . 60
61. Ursachen der Ranm· (Volum) Ănderungen S. 60.
B. Spannungen und Formanderungen infolge von Temperaturunterscbieden . . . . . . . . . . . . 60
62. Wărmespannnngen und Formănderungen im allgemeinen S. 60. - 63. Wilrmespannungen und
Formănderung einzelner Ki:irper beim Erhitzen S. 6!. - 64. Wărmespannungen und Formănderung
einzelner Ki:irper belm Abschrecken B. 62.
C. 8pannungen und Formănderunjlen unter Beriicksichtignng der Gefiigeănderung . . . . . . . . • 65
65. Raumvergri:iCerung durch Bildung von Per! it und Martensit S. 65. - 66. Bpannungen und Forrn·
ănderungen info!ge ung!eicberTemperaturen und Gefiigeânderungen S. 66.-67. WirknngdesAn!as
sens S. 66. - 68. Folgen der Formănderungen und Spannnngen S. 66.-69. Vermeiden der Span
nungen S. 67.
Zeitangaben: s = Sekunde, miu = Minute, h = Stunde.
Bezeichnungen: AI= Aluminium, C = Kohlenstoff, Co = Kobalt, Cr = Chrom, Cu= Kupfer Fe = Eisen
HO == WSaausesresrtsotfoff,f ,MSgi= = SMiliazginuems,i nmT, iM=n T=i taMn,a ngVan=, MVoa n=a dMiou!my,b dWăn ,=N W= oSlftriacmks, toPff ,=N aP h=o Nspahtor!ru, mS 'N = i=Sc Nhwicekfee!l:'
Griechische Buchstaben: Al"p' ha, Bfei ta, Ga1m' ma, DLel6lt a, Epss ilon, Lam;!.b da, Mpy t Pni , Reh o, Sigam a, Phrp i, P'1s' i
Alle Rechte, insbesondere das der Ubersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten.
Ohne ausdriickliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder
Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie) zu vervielfaltigen.
ISBN 978-3-662-11991-4 ISBN 978-3-662-11990-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-11990-7
Vorwort.
Das vorliegende Heft! "Härten und Vergüten" bringt so viel aus der Wissen
schaft vom Stahl, wie der denkende Betriebsmann und der Konstrukteur kennen
sollten.
Eigene Beobachtungen und Erfahrungen bei der Feuerbehandlung im Betrieb
machen erst den tüchtigen Praktiker, der als "Mann am Ofen", Meister und Be
triebsleiter sehr wichtig ist und von dem die Wissenschaft noch manches lernen
kann. Aber auch er kann andererseits seinen schwierigen Posten heute nicht mehr
aufs beste ausfüllen, wenn er nicht die wichtigsten Ergebnisse der Forschungen
und Erfahrungen anderer - und daraus besteht die Wissenschaft - kennt. Sie
erst machen es ihm möglich, seine Beobachtungen richtig zu deuten, seine Er
fahrungen richtig zu bewerten und zu verwenden.
Der Konstrukteur andererseits bedarf der Kenntnisse für die zweckmäßige
Auswahl. Dafür genügt aber nicht die Kenntnis einiger mechanischer Gütewerte,
er muß auch wissen, wie der Stahl sich bei der Verarbeitung in der Werkstatt
verhält und besonders, was durch Warmbehandlung aus ihm herauszuholen ist.
I. Eigenschaften des Stahles.
1. Roheisen und Stahl. Das schmiedbare Eisen ist, wie alles technische Eisen,
nicht chemisch reines, also nicht das "Element" Eisen, sondern eine Legierung2
von Eisen mit Kohlenstoff (Hauptbestandteil der Kohle). Die Legierung enthält
außerdem wenig (oder kein) Silizium (Hauptbestandteil des Sandes), aber illtmer
Mangan (eisenähnliches Metall) und auch geringe Mengen von Schwefel, Phosphor,
nichtmetallischen Einschlüssen und Gasen. Alle diese Stoffe kommen während
der Erzeugung des Roheisens aus den Erzen im Hochofen oder während der Um
wandlung des Roheisens in schmiedbares Eisen im Bessemer-, Thomas- oder
Martin-Ofen in das Eisen hinein. Mit Kohlenstoff (und in gewissem Sinne auch
mit Silizium und Mangan) wird das Eisen absichtlich legiert, um seine Eigen
schaften zu verändern, besonders um seine Härte und Festigkeit zu steigern; denn
das reine Eisen ist so weich, daß es im Maschinenbau nicht verwendet werden
kann. Schon geringe Mengen Kohlenstoff verändern das Eisen recht erheblich:
Schmiedbares Eisen enthält3 0,05 .. ·1,5% C, selten bis 2%, nicht schmiedbares
Roheisen, wie es zunächst im Hochofen dargestellt und in der Eisengießerei zu
Grauguß vergossen wird, etwa 3 .. '4,5% C. Roheisen ist zwar spröde, aber infolge
seines niedrigen Schmelzpunktes und seiner Dünnflüssigkeit auch leicht vergießbar .
Schmiedbarkeit und Schweißbarkeit, diese charakteristischen Eigenschaften
des Stahls gegenüber dem Roheisen, hängen außer von der Temperatur sehr er
heblich vom C-Gehalt (daneben aber auch von den anderen Fremdstoffen) ab:
1 Die ersten drei Auflagen dieses Werkstattbuches wurden von Dr. Ing. EUGEN SrnoN
bearbeitet und sind 1921, 1923 und 1930 erschienen. Die weiteren Auflagen bearbeitete
Ingenieur-Chemiker HuGO HERBERS; sie erschienen 1938 und 1947.
2 Metalle oder auch Eisen und Kohlenstoff, die im flüssigen Zustand miteinander ge
mischt (gelöst) sind, bilden nach dem Erstarren eine Legierung.
3 Der Gehalt an irgendeinem Stoff in einer Legierung wird in Gewichtsteilen ausgedrückt,
und zwar in Hundertteilen ( %), das heißt, es wird angegeben, wieviel Gewichtsteile des Stoffes
auf 100 Gewichtsteile der Legierung kommen. Demgemäß bedeutet (siehe Zeichenerklärung
vorn) ,,1,5% C", daß in 100 Gewichtsteilen (Gramm) des Werkstoffes 1,5 Gewichtsteile
(Gramm) Kohlenstoff enthalten sind.
1*
4 Eigenschaften des Stahles.
beide nehmen ab, .wenn der C-Gehalt wächst, und zwar so, daß das Schmieden
immer größeren Kraftaufwand verlangt und das Schweißen sogar nur bei den
recht C-armen Sorten ohne besondere Hilfsmittel gut möglich, dagegen bei rd.
0,4% C schon schwierig ist.
2. Mechanische und physikalische Eigenschaften. Will man verschiedene Stähle
miteinander vergleichen oder sie einzeln kennzeichnen, so benutzt man dazu ihre
mechanischen und physikalischen Eigenschaften, die man genau messen und in
Zahlen angeben kann. Das ist einfacher, als etwa ihre verschiedene chemische
Zusammensetzung anzugeben und meist zweckmäßiger, weil es bei der Verwendung
des Stahles in erster Linie auf seine Eigenschaften ankommt und weil diese, wie
später ausführlicher beschrieben, bei derselben chemischen Zu
sammensetzung recht verschieden sein können.
Unter mechanischen Eigenschaften sind die Festigkeitseigen
schaften, wie Zerreißfestigkeit, Dehnung, Einschnürung, Kerbzähig
keit usw., zu verstehen, unter physikalischen das magnetische Ver
halten, der elektrische Widerstand, die Wärmeausdehnung und
-leitung usw. Da die mechanischen Eigenschaften als Gütewerte zur
Kennzeichnung des Stahls gebraucht werden, so sollen auch nur
sie, soweit nötig, erläutert werden 1.
3. FestigkeitsgröBen bei ruhender (statischer) Belastung. Unter
der Festigkeit eines Baustoffes versteht man ganz allgemein den
Widerstand, den der Stoff der Zerstörung durch äußere Kräfte ent
gegensetzt. Will man die Festigkeit in Zahlen und vergleichbar an
geben, so muß man sie unter bestimmten, ganz einfachen Verhält
nissen messen: durch Belastung eines Stabes bis zum Bruch. Je
nach der Richtung der angreifenden Kraft zur Stabachse unter
scheidet man: Zug-oder Zerreißfestigkeit, Druckfestigkeit, Biegungs
festigkeit usw. Fällt, wie in Abb. 1, die Kraft P in die Stabachse
Abb.l. und ist sie vom Stab weg gerichtet, so beansprucht sie den Stab
Zerreißstab. auf Zerreißen, und der Widerstand des Stabes ist die Zug- oder Zer
(Schema.)
reißfestigkeit oder kurz auch wohl einfach die Festigkeit des Werk
stoffes. Um beim Messen vom Querschnitt des Stabes unabhängig zu sein, ist
folgende Begriffsbestimmung getroffen:
Als Zugfestigkeit OB wird der auf die Flächeneinheit des Anfangsquerschnitts
Fo entfallende Teil der Höchstbelastung PB bezeichnet: OB= PBiFo' Dabei wird
die Belastung (P, PB"') in kg, der Querschnitt (Fo' F .. ·) in mm2 gemessen, also
die Festigkeit (OB) in kg/mm2 angegeben.
Ist Z.B. zum Zerreißen eines Stabes von 20 mm Durchmesser eine Höchst
belastung von 17900 kg nötig, so ist PB= 17900, Fo=202 '%/4 und also die Festig-
keit des Werkstoffes: OB = PTBu = 201.2709.0:r0r; /4 = 57 kg/mm2 .
Beim Zugversuch, durch den die Zerreißfestigkeit festgestellt wird, mißt man
nicht nur die Höchstbelastung, sondern auch die Verlängerung, die der Stab bei
der langsam fortschreitenden Belastung erfährt, indem man die zueinander
gehörigen Werte von Belastung und Verlängerung beobachtet und im Zerreiß
schaubild zusammenstellt (Normung durch DIN 50125/45). Iu diesem Schau
bild (Abb. 2) trägt man auf der senkrechten Achse (Ordinate) die Belastung P (kg)
°
oder meistens die Spannung auf, die gleich der Belastung geteilt durch den
Anfangsquerschnitt gesetzt wird, also 0= PiFo (kg/mm2). Auf der waagerechten
1 Näheres s. Werkstatt buch Heft 34: RIEBENSAHM/TRAEGER, Werkstoffprüfung (Metalle).
Festigkeitsgrößen bei wechselnder, schwingender und stoßartiger Belastung. ;)
Aehse (Abszisse) trägt man die Verlängerung L1l (mm) der Meßlänge 1 gegen
über der ursprünglichen Länge (L1l=l-lo) auf oder meistens die Dehnung c,
die das Verhältnis von L1l zu lo ist und in Hundertteilen angegeben wird, also
c = 100 iJ l/lo (%). Man nennt daher Abb. 2 auch das Spannungs-Dehnungs
Schaubild.
Verfolgt man den Verlauf der Kurve genauer, so erkennt man einige aus
gezeichnete Punkte, die für den Werkstoff. charakteristisch und für seine Verwen
dung wichtig sind: die Proportionalitätsgrenze (Jp, bis zu der der Stab sich gleich
mäßig, d. h. proportional der Belastung, verlängert; die Streckgrenze (Fließgrenze)
(Js gleich der Spannung, bei der trotz zunehmender Formänderung die Kraftanzeige
der Prüfmaschine erstmalig unverändert bleibt oder zurückgeht 1; die Bruch
dehnung d gleich der Dehnung2 nach dem Bruch, wie die anderen Werte e in
Prozent der ursprünglichen Meßlänge angegeben, also ~= 100 iJ l/lo (%), worin
hier L1l die nach dem Bruch gemessene Verlängerung ist.
Aus dem Schaubild ist weiter zu er- t
kennen, daß die Spannung (J., die schließ- 1
lich zum Bruch führt, erheblich kleiner Öi' O'lJ
j.....,
ist als die Bruchspannung (JB, d. h. daß
Bruchdehnung und Bruchspannung keine ~ ~
zugeordneten Werte sind. Nicht unmittel- <l~.1 ~<I§. '
bar aus dem Schaubild ist die örtliche ~ 1l
Einschnürung am Probestab zu erkennen, ~~. .~!1
die etwa nach dem Erreichen der Bruch- ~ '----Ve-,,-/ä:-'ng-~-u-ng-Ll-l(,-m-m-)---------+--
spannung am Stab dort eintritt, wo er OehnungE= 'L,l 100"/0-
nachher reißt. Die genaue Begriffsbestim
Abb. 2. Spannungs-Dehnungs-Schaubild.
mung ist: als Einschnürung wird das
Verhältnis der Querschnittsverminderung an der Bruchstelle zum Ausgangs
querschnitt F 0 bezeichnet; sie wird in der Regel in Prozent angegeben: 1jJ =
100 iJFfFo (%). Bruchdehnung und Einschnürung sind neben Festigkeit (Zerreißf.)
und Streckgrenze die wichtigsten Größen zum Beurteilen der Festigkeitseigen
schaften eines Baustoffes. Die Bedeutung der Festigkeit leuchtet ohne weiteres
ein; die Bedeutung der Streckgrenze liegt darin, daß sie die Spannung angibt, bis
zu der keine größeren bleibenden Formänderungen entstehen; Bruchdehnung und
besonders Einschnürung können als Maß für die Formänderungsfähigkeit (unter
ruhender Belastung) angesehen werden (Härteprüfung unter ruhender Belastung
siehe Abschn.5.)
Gibt man bei Festigkeitsgrößen keine Temperatur an, so beziehen sie sich
auf die übliche Raumtemperatur. Jedoch werden auch Werte bei höheren Tempe
raturen festgestellt; man spricht dann von Warmfestigkeit (Dauerstandfestigkeit),
Warmhärte usw.
4. Festigkeitsgrößen bei wechselnder, schwingender und stoßartiger (dynamischer)
Belastung. Die bislang erörterten Festigkeitsgrößen sind bei ruhender bzw. lang
sam fortschreitender Belastung oder Spannung gewonnen worden. Da jedoch
Stöße, einzeln, wiederholt oder dauernd, überhaupt rasche Spannungsschwankungen
und -wechsel bei der Beanspruchung der Maschinenteile im Betrieb eine große Rolle
1 Wenn die StreekgrenZie nicht am Fließen des Werkstoffes zu erkennen ist, gilt praktisch
als Streckgrenze die Spannung, nach der der Stab im entlasteten Zustand 0,2 % bleibende
Dehnung zeigt (0,2-Grenze, Dehngrenze).
2 Die Dehnung ist abhängig von der Meßlänge, die deshalb meist angegeben wird. Beim
Normalstab beträgt sie 5 oder 10 X Prüfstabdurchmesser, und demgemäß bezeichnet man
(\0'
die Bruchdehnung (bei Zerreißversuchen einfach "Dehnung" genannt) mit Os bzw.
6 Eigenschaften des Stahles.
spielen und die meisten Brüche verursachen, so hat man mehr und mehr auch für
diese Belastungen geeignete Prüfungen eingeführt. Die Technik dieser Prüfungen
ist jedoch noch in der Entwicklung. Vielfach ist man sich über die richtige Durch
führung nicht einig und hat die Gesetzmäßigkeit für die Auswertung noch nicht
gefunden, die erst die Möglichkeit des Vergleichs gibt. Vor allem aber liegen von
den meisten dieser Prüfungen noch nicht genügend Ergebnisse vor, um sie plan
mäßig verwenden zu können. So ist es zu erklären, daß die dynamische Prüfung
trotz ihrer grundsätzlichen Wichtigkeit nur erst wenig Gütewerte für die Werk
stoffbeurteilung liefert. Abgesehen von der Sprunghärte (Abschn. 5) ist es beson
ders die Kerbzähigkeit, die hier daher kurz erläutert werden soll.
Kerbschlagzähigkeit. Daß Dehnung und Einschnürung als Maß für die (statische)
Zähigkeit gelten können, wurde bereits in Abschn. 3 gesagt. Für die Schlagzähig
keit gilt das aber durchaus nicht; sie muß vielmehr besonders gemessen werden.
Das geschieht durch einen Schlagbiegeversuch mit eingekerbtem Stab. Die Kerbe
hat dabei die Aufgabe, den Prüfstab den Teilen der Praxis grundsätzlich anzu
gleichen, die fast immer Anrisse, einspringende Ecken oder plötzliche Querschnitts
änderungen haben, die, wie die Kerbe, die Widerstandsfähigkeit gegen Schlag
erheblich herabsetzen.
Begriffsbestimmung. Spezifische Schlagarbeit nennt man die auf I cm2 des
geschwächten Querschnittes bezogene, also in mkg/cm2 ausgedrückte Schlagarbeit,
die nötig ist, um den gekerbten Probesta b durch einen einzigen Schlag zu brechen.
Die Kerbschlagzähigkeit wird ihr gleichgesetzt. Die Kerbzähigkeitsprobe ist bis
heute noch umstritten, weil die Größe der Schlagarbeit von der Kerbform und
-tiefe, ferner von der Temperatur abhängt. Aus diesen und anderen Gründen
werden in der Folge d'le Einschnürungswerte als Maß tür die Zähigkeit angesehen.
5. Härte und Härteprüfung1• Die Härte eines Werkstoffes,
d. i. der Widerstand, den der Werkstoff dem Eindringen eines
anderen Körpers entgegensetzt, ist keine genau umgrenzte
Eigenschaft, vielmehr abhängig von der Art der Prüfung.
Und da jede Prüfung eine Gruppe etwas anderer mecha
nischer Eigenschaften erfaßt, so besteht zwischen den Ein
heiten der verschiedenen zahlenmäßigen Prüfungsergebnisse
oft keine einfache, vielfach gar keine gesetzmäßige Beziehung.
Abb.3. Brinelldruckprobe. Von den zahlreichen Härteprüfverfahren, die teils mit ruhen-
der, teils mit schlagartiger Belastung der Prüffläche ar
beiten, sind für die Industrie folgende geeignet:
Brinellprüfung2. Eine gehärtete Stahlkugel (Abb. 3) wird in eine glatte, ebene
Fläche mit ruhend wirkender Kraft so lange eingedrückt, bis ihr Vordringen
praktisch zum Stillstand kommt. Die Brinellhärte H, zu berechnen aus der
Kalottenfläche des Kugeleindruckes d, ist abhängig von der Belastung P und dem
Kugeldurchmesser D, die beide in DIN 50351 festgelegt sind. Nach Abb. 3 ist die
Brinellhärte H = (2 ~) (kg/mm2).
Dn D- D2_d2
Die Härtewerte sind vom Kugeldurchmesser und der Belastung abhängig und
müssen der Dicke des Probestückes angepaßt werden. Bei zu geringer Dicke des
Probestückes ergeben sich zu geringe Werte. Daher sind die in Tabelle I durch
1 Siehe WerkstattbuchHeft 111: HERMANN, Härtemessungen in der Werkstatt (ImDruck).
2 Die Brinellprüfung kann bis zu einem gewissen Grade die Zerreißprobe, die das Werk
stück zerstört, ersetzen, denn es besteht eine - praktisch ausreichend genaue - Beziehung
zwischen Zerreißfestigkeit und Brinellfestigkeit. Es ist:
(JB = 0,36 H für C-Stahl, (JB = 0,35 H für Cr-Stahl, (JB = 0,34 H für Cr-Ni-Stahl.
7
Einfluß des Kohlenstoffgehaltes auf die Festigkeitsgütewerte von Stahl.
Norm festgelegten Belastungen, Kugeldurchmesser und Probestücke in mm,
zwecks Erzielung einwandfreier Härteergebnisse, unbedingt einzuhalten.
Tabelle 1. Brinell-Härteprüfung.
Kugeldurchmesser Probenstärke BelastungI P in kg für
Dlnmm inmm Stahl Bronze u. Messing
10 über 10 3000 1000
5 6-10 750 250
2,5 3-6 187,5 I 62,5
Für sehr harte Flächen, härter als etwa H = 450 (Stahl von rd. 150 kgjmm2
Festigkeit), ist das Verfahren ungenau, da die Prüfkugel um so mehr versagt, je
mehr die zu prüfende Härte sich der Kugelhärte nähert. Für so hohe Härte ist
die RocKWELL-C-Prüfung günstiger, bei der zum Eindrücken eine Diamantspitze
benutzt wird. Das Ergebnis, eine Vergleichszahl, ist unmittelbar abzulesen. Bei
sehr dünnen Teilen bzw. Härteschichten ist das Prüfungsergebnis unsicher.
Verläßlich unter jeder Bedingung (außer für
rauhe Oberflächen und sperrige Werkstücke) und
für jede Härte arbeitet die VICKERs-Prüfung. Sie
benutzt eine Diamantpyramide (Abb. 4); dabei
ist das Ergebnis auch unabhängig von der Be
lastung, d.h. alle Prüflasten ergeben praktisch die
gleiche Härtezahl.
Rücksprung-Härteprüfung (Skleroskop nach
SHORE). Die Höhe des Rücksprungs eines kleinen
zylindrischen Fallkörpers mit eingesetztem Dia
manten wird als Vergleichsmaß für die Härte
verwendet (für glasharten Stahl gleich 100 ge- AbbA. Vickers-Diamantspltze.
setzt). Diese Prüfung ist nur für harte Flächen,
auch für dünne Härteschichten, geeignet, doch ist die Verläßlichkeit nicht immer
ausreichend.
Die Kugelschlaghämmer (z. B. Bauart GRAVEN oder POLDllIÜTTE) ergeben in ein
fachster Weise die Brinellzahl, in vielen Fällen ausreichend genau. Schließlich
wird auch die Feilenprobe noch benutzt und ist in manchen Fällen nicht ersetzbar.
6. Einfluß des Kohlenstoffgehaltes auf die Festigkeitsgiitewerte von Stahl. Der
Kohlenstoffgehalt ist auf alle Festigkeitsgütewerte von sehr großem Einfluß. Eine
Beurteilung und ein Vergleich dieser Werte in Abhängigkeit vom Kohlenstoff
gehalt ist aber nur unter zwei Bedingungen sinnvoll: erstens darf der Gehalt an
Nebenbestandteilen (Mangan, Silizium usw.) den üblichen mittleren Betrag nicht
überschreiten und zweitens müssen alle Stähle vor ihrer Prüfung in gleicher Weise
vorbehandelt sein. Die sicherste Vorbehandlung ist richtiges, dem C-Gehalt an
gepaßtes Ausglühen (Normalisieren)l, und die folgenden Angaben sollen sich daher
auch auf diesen Zustand beziehen, soweit nicht etwas anderes angegeben ist. Man
darf nun aber nicht glauben, daß unter dieser Bedingung die Stähle für denselben
Kohlenstoffgehalt stets dieselben Gütewerte zeigten. Das ist durchaus nicht der
Fall; vielmehr sind die Unterschiede wegen der unvermeidlichen Verschiedenheit
im Gehalt an Nebenbestandteilen und wegen der verschiedenartigen Erzeugung
recht erheblich. Die im folgenden angegebenen Zahlenwerte sind daher nur als
Mittelwerte anzusehen.
1 Darunter wird verstanden ein kurzes Erhitzen (= 50°) über den Ac3-Punkt (Linie GSE,
Abb.20) und Erkalten in ruhender Luft.
8 Eigenschaften des Stahles.
Die Festigkeit (Abb. 5) wächst mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt, bis sie
bei etwa 1% 0 mit ungefähr 75 kg/mm2 ihren Höchstwert erreicht, von dem sie
mit weiter wachsendem O-Gehalt langsam absinkt.
Die Streckgrenze wächst gleichfalls mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt, jedoch
gleichmäßiger und ohne wieder zurückzugehen. Die Dehnung nimmt ständig,
wenn auch nicht ganz stetig, ab, und ähnlich verhält sich die (in Abb. 5 nicht
gezeigte) Einschnürung.
70,--------~C~-------------,
50
~ 70r--r--r--+~~-+--~~
~ %
l>, 501---+--t 1/----t---t--+----uO
~
~ 50 r--t---H,--+--+--+---t--l
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~ ~
§ 'IOI---+:Ai----+--+-o. SO ~
~ ~
~ 30r--+--r-~~=t_-+--_l_~o ~
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~20~~~--~~~~~
10 L--;!-;;_ _' ---::'-::,--.l.-~-..l.---}
05101520
_ Dehnung in %
Abb.5. Abhängigkeit der Festigkeits·Gütewerte Abb.6. Spannungs·Dehnungs·Schaubilder.
des Stahls vom Kohlenstoffgehalt, geprüft bei I Stahl mit 0,05% C.
Raumtemperatur . II Stahl mit 0,65% C.
Es gehören also zu niedrigem C-Gehalt : geringe Festigkeit und hohe Dehnung,
zu hohem O-Gehalt: hohe Festigkeit und geringe Dehnung. Das ist besonders
deutlich auch aus Abb. 6 zu erkennen, die das Spannungs-Dehnungs-Schaubild
in Kurve I für einen weichen Stahl mit etwa 0,05% C und in Kurve II für einen
.100 harten Stahl mit etwa 0,65% C zeigt. Ungeglüh
Ld
et ter Stahl, wie er ohne besondere Vorschrift vom
- ~
~~ Stahlwerk geliefert wird, hat infolge des Walzens
!l>
~200 V V 'geglüh oder Schmiedens bei abnehmender Temperatur
~ V- höhere Härteund Streckgrenze,geringereDehnung
.!::
J..100 und Einschnürung als geglühter.
Den Einfluß des Kohlenstoffgehaltes auf die
Härte, und zwar die Brinellhärte, zeigt Abb. 7 für
o 0,8 '1,2 1,6'% geglühten und ungeglühten (geschmiedeten) Stahl.
/(o!tlensfo.ff
In beiden Fällen wächst die Härte erst rascher,
Abb. 7. Abhängigkeit der Brinellhärte
vom Kohlenstoffgehalt, geprüft bei dann langsamer mit dem O-Gehalt; aus oben
Raumtemperatur.
angegebenem Grunde liegt sie - ebenso wie die
Festigkeit - für ungeglühten Stahl höher als für geglühten.
7. Bedeutung der mechanischen Gütewerte für die Konstruktion. Für die
Berechnung der Abmessungen der Querschnitte ist in der Hauptsache die Festig
keit maßgebend, so daß also unter sonst gleichen Umständen Abmessungen und
Gewicht der Konstruktion um so kleiner werden, je höhere Festigkeit der gewählte
Stahl hat.
Die "zulässige Belastung" darf allerdings nicht etwa fast gleich der Zerreiß
festigkeit gewählt werden, weil dann erhebliche bleibende Formänderungen ent
ständen; sie darf aber auch nicht einmal an die Streckgrenze, die Grenze für solche
Formänderungen, herankommen, weil fast immer auch dynamische Beanspru
chungen auftreten, die bei der Berechnung, die an sich schon sehr unsicher ist,