DE1017195B - Verfahren zur Verhuetung von plastischen Gelenken und Bruechen an metallischen, vorzugsweise staehlernen Bauteilen mit hoher, zeitweise auch plastischer Beanspruchung - Google Patents

Description

• Verfahren zur Verhütung von plastischen Gelenken und Brüchen an metallischen, vorzugsweise stählernen Bauteilen mit hoher, zeitweise auch plastischer Beanspruchung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen, vorzugsweise stählernen Bauteilen, die erfahrungsgemäß bis an die Elastizitäts-,grenze, zeitweise sogar darüber hinaus, beansprucht werden, und bezweckt die Vermeidung sogenannter »plastischer Gelenke« und damit die Entstehung von Rissen und Brüchen an diesen Bauteilen.
• Es ist bereits bekannt, bei hoch beanspruchten metallischen Bauteilen, namentlich bei solchen, die einem häufigen Lastwechsel, z. B. einer Wechselbiegung, unterliegen, die Oberfläche in an sich bekannter Weise mit örtlichen Druckstellen zu versehen, um diese dadurch widerstandsfähiger gegen das Ansetzen von Dauerbrüchen zu machen. Es konnte auch nachgewiesen werden, daß auf solche Weise oberflächlich verdichtete Bauteile tatsächlich weniger rißempfindlich gegen Dauerbeanspruchung sind, daß also eine größere Zahl von Lastwechseln bei der gleichen Beanspruchung bis zur Entstehung eines Risses ausgehalten wird. Die Ursache wurde darin erblickt, daß die Baustoffteile der Oberflächen durch das Drücken näher zusammengebracht und so Fehlstellen oder Oberflächenbeschädigungen, z. B. Polierschrammen od. dgl., beseitigt würden.
• Weiter wurde bekannt, bei wechselnd beanspruchten Bauteilen in der Nähe des gefährdeten Querschnitts sogenannte Entlastungskerben oder Entlastungsbohrungen anzuordnen, um so eine Erhöhung der Dauerstandfestigkeit zu erzielen.
• Die Erfindung geht von einer genauen Beobachtung des Geschehens bei der Beanspruchung unlegierter Stähle an der Grenze zwischen elastischer und plastischer Verformung und im daran anschließenden sogenannten Fließbereich aus und zieht daraus bestimmte Folgerungen für die Vorbehandlung und die Formgebung der aus solchen Werkstoffen zu fertigenden Bauteile.
• Bekanntlich steigt bei den unlegierten Baustählen im Spannungs-Dehnungsschaubild die Last zunächst gradlinig bis zur sogenannten Elastizitätsgrenze steil an. Innerhalb des Bereichs dieser Beanspruchung geht die Dehnung bei Entlastung so gut wie vollkommen zurück, d. h. die Belastung war vollkommen elastisch. Bei Erhöhung der Last Über die Elastizitätsgrenze hinaus nimmt die Dehnung zunächst noch annähernd linear zu, bis die sogenannte »obere Fließgrenze« des Werkstoffes, meist »Streckgrenze« genannt, erreicht wird. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß in den meisten Fällen unter ruckartigem Absinken der Last bis auf einen Wert, der als »untere Fließgrenze« bezeichnet wird, die Dehnung bei nur geringen Lastschwankungen fortschreitend zunimmt, der Werkstoff also fließt. In den Fällen, in welchen keine ausgeprägte Fließgrenze erkennbar ist, wird als Streckgrenze diejenige Spannung bezeichnet, bei welcher die bleibende Dehnung des Werkstoffes 0,21/o beträgt. Im allgemeinen liegt die obere Fließgrenze der weichen Stähle bei etwa 0 , 1 1/o Dehnung, entsprechend 21 kg/qmm Belastung bei einem E-Modul von 21000 li:g/qmm.
• Bei der Spannung, welche der unteren Fließgrenze entspricht, wird der Werkstoff im Zugversuch unter nur geringen Lastschwankungen von ungefähr 0,1 bis etwa 3 ',OI/o plastisch gedehnt.
• Von diesem sogenannten Fließvorgang wird innerhalb eines kurzen Zeitraumes nacheinander der ganze Werkstoff ergriffen, bis der Versuchsstab über seine volle Probelänge geflossen ist.
• Erst bei etwa 3% Dehnung beginnt bei weichen Stählen und Raumtemperatur wieder eine Lastzunahme bis zu einem Spannungs-Höchstwert, der sogenannten Trenn- oder Reißfestigkeit, die beim Zugversuch mit einer starken Einschnürung des schwächsten Querschnittsbereichs verbunden ist. Der Anstieg der Lastdehnungskurve von der Beendigung des Fließens ab erfolgt jedoch nicht mehr linear, und die Beanspruchung des Werkstoffes in diesem Bereich des Spannungs-Dehnungsdiagramms ist mit einer Verfestigung, d. h. mit einer Erhöhung der Elastizitätsgrenze, verbunden, Bei einer Wiederholung des Zugversuchs mit einem solchen bis über den Fließbereich gereckten Werkstoff ist festzustellen, daß der elastische Bereich des Werkstoffes bis zu einer höheren Spannung als ursprünglich hinaufführt und eine ausgeprägte Fließ- bzw. Streckgrenze nicht mehr vorhanden ist, Die Spannungs-Dehnungslinie biegt vielmehr nach anfangs steilem, geradlinigem Verlauf ohne Fließbereich allmählich in den Bereich zunehmender Dehnung um und endet mit der Trennfestigkeit.
• An Bauteilen, die häufigem Lastwechsel unterliegen und bis in den plastischen Bereich beansprucht werden, wurde nun beobachtet, daß sie zunächst im gefährdeten Ouerschnitt zu fließen beginnen. Von diesem Augenblick an werden die weniger beanspruchten Nachbarquerschnitte nicht mehr weitergedelint, sondern die weitere Dehnung beschränkt sich allein auf den schmalen Bereich des gefährdeten Querschnitts und schreitet hier so lange fort, bis das Fließvermögen des Werkstoffes an dieser Stelle völlig erschöpft, der Werkstoff hier also von z. B. 0,1 bis 3,0% gedehnt ist. Bei noch weiterer Lastzunahine wird der Werkstoff an dieser Stelle verfestigt, und benachbarte, bislang noch nicht geflossene Querschnitte werden bis über ihre Fließgrenze beansprucht und beginnen damit zu fließen. Damit wiederholt sich für diese Ouerschnitte der vorher beschriebene Vorgang, bis wi-ederum diese Ouerschnitte in ihrem Fließvermögen erschöpft sijd. Diese Erscheinung erklärt das Entstehen mehrerer Risse in der Umgebung des gefährdeten Ouerschnitts bei genügend fortgeschrittenem Lastwichsel. Die Korrosionsgefahr ist an diesen bereits geflossenen Werkstoff-Ouerschnitten besonders groß, was sich durch die itarke Abhängigkeit der Korrosionswechselfestigkeit von der Spannung, durch das Aufreißen der als Schutzschicht wirkenden Walz-bzw. Preßhaut sowie durch das Potentialgefällezwischen gerecktem und nicht gerecktem Werkstoff erklärt.
• Hier setzt nun die Erfindung ein, indem sie vorschlägt, zur Herstellung von metallischen, vorzugsweise stählernen Bauteilen, bei denen die Gefahr plastischer Verformungen gegeben ist, unlegierte Stähle zu verwenden, die im Ganzen oder über den Bereich der zu erwartenden Höchstbeanspruchung einer möglichst gleichmäßigen Kaltverformung von mindestens 3% unterworfen wurden. Diese Kaltverformung und damit die Beseitigung des Fließbereichs kann in an sich bekannter Weise durch Schmieden, Pressen, Ziehen od. dgl. vorgenommen werden und soll vorzugsweise auf den unmittelbar an den Beginn der Verfestigung anschließenden Bereich (etwa 3 bis 61/o) beschränkt bleiben, in welchem die Rekristallisations-Temperattir am höchsten liegt.
• Bei auf Wechselbiegung beanspruchten Bauteilen kann erfindungsgernäß die Kaltverformung auch erst nach beendeter Ausforniting des Bauteiles lediglich oberflächlich durchgeführt werden, -weil hier die Außenfasern stets die höchstbeanspruchten sind, bei denen also die Gefahr des Fließens besonders gegeben ist. Dabei darf aber, im Gegensatz zu dein früher üblichen sogenannten »Oberflächendrüclzeii«, bei welchem örtlich unkontrollierte, meist viel zu starke Verformungsgrade zur Anwendung gelangten, die Kaltverformung nicht zu hoch getrieben werden, da andernfalls die Außenfaser, auf deren Standfestigkeit es ankommt, eine Verfestigung erfährt, die zwar bei Raumtemperatur standhält, bei der Betriebstemperatur aber zum Teil verlorengeht und unter Umst#iiden zu Grobkornbildung führt.
• In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, insbesondere bei auf Wechselbiegung beanspruchten Bauteilen die Ausbildung plastischer Gelenke dadurch zu vermeiden, daß die der Wechselbiegung unterliegenden, aus Werkstoffen mit 3 bis vorzugsweise 6% Kaltverformung bestehenden Bauteilbereiche ihrer Beanspruchungsart entsprechend so geformt werden, daß die wechselnde Dehnung bzw. Kürzung der Außenfaser sich über den höchstbeanspruchten Teil der freien Biegelänge annähernd gleichmäßig erstreckt. Dieser Vorschlag zielt darauf ab, durch geeignete Foringebung der gefährdeten Baustoffteile SpannungIsspitzen zu vermeiden, die Dehnung also auf einen möglichst großen Bereich zu verteilen, dadurch die prozentuale Höchstdehnung der Außenfaser herabzusetzen und die Stützwirkung der inneren Fasern so hoch wie möglich zu halten. Durch die geineilisame Anwendung beider -Merkmale, d. h. der Vermeidung bzw. Aus schaltung der Fließgrenze durch gelenkte Kaltverforniung und einer möglichst »spannungsgleichen« Gestaltung, wird die Riß- und damit Bruchgefahr des Bauteiles in einem bisher nicht für möglich gehaltenen Maße vermindert.
• Endlich wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, besonders riß- und abzehrgefährdete Bauteile oder Bauteilbereiche, insbesondere bei Hinterkessein von Dampflokomotiven, aus einem unlegierten Stahl herzustellen, der nach einer möglichst gleichmäßigen Kaltverformung in den Grenzen von 3 bis etwa 6% keinen Fließbereich mehr aufweist, und diese Teile mit den angrenzenden, weniger beanspruchten Bauteilen oder Bauteilbereichen aus nicht kaltverformtein Stahl durch Schweißung zu verbinden.

Claims (2)

1. PATENTANSPRVCHr: 1. Verfahren zur Verhütung von plastischen Gelenken und Brüchen an metallischen. vorzugsweise stählernen Bauteilen mit hoher, zeitweise auch plastischer Beanspruchung, insbesondere an Kesselbauteilen, gekenn7eichnet durch die Verwendung unleglierter Stähle, die im ganzen oder über den Bereich der zu er"vartenden Höchstbeanspruchung einer möglichst gleichmäßigen Kaltverforrnung von mindestens 3 1/o., vorzugsweise 3 bis 6 11/o, unterworfen wurden.
2. 2. Verfahren zur Verhütung von plastischen Gelenken und Brüchen an metallischen, vorzugsweise stählernen Batiteilen nach Anspruch 1.. insbesondere an auf Wechselbiegung beanspruchten Bauteilen, gekennzeichnet durch eine solche Foringebung der der Wechsell);egung unterliegenden Bauteilbereiche, daß die wechselnde De!-ii-,ing bzw. Kürzung ihrer Außenfasern sich Über den höchstbeanspruchten Teil der freien B;egeliqiige gleichmäßig erstreckt. 3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 und bzw. oder Anspruch 2., insbesondere bei Hinterkesseln von Danipflokomotiven, dadurch -ckennzeichnet, daß besonders riß- und abzehrgefährdete Bauteile oder Bauteilbereiche aus einem Stahl hergestellt werden, der nach möglichst gleichmäßiger Kaltverformung von 3 bis etwa 6% keinen Flieflbereich mehr besitzt, und daß diese Teile mit den angrenzenden, weniger beanspruchten Bauteilbereichen aus nicht kaltverformtem Stahl durch Schweißung verbunden werden. In Betracht gezogene Druckschriften: E. Houdrei-nont: »Handbuch der Sonderstahlkunde«, Berlin 1943, S. 193; »Werl,zstoffhaiidl)ilcli Stahl und Eisen«, Düsseldorf 1937, Blatt D 11, S, 6 lind 10; - 2. Auflage, Blatt Qu 31 (Ausgabe November 1937), S. 1; D. X. B u 11 en s : 3>Steel and its Heat Treatnient«, 1948, S. 224 und 225.