Anwendung und Klassifizierung von Stählen

Dies sind Parameter, die den Nutzen von Stahl in der Wirtschaft kennzeichnen. Ihr Ausmaß hängt von der Legierungszusammensetzung und der Verarbeitung ab. Die nachstehenden Werte sind spezifisch für Stähle, die in der Bauindustrie verwendet werden.

Die Zugfestigkeit wird durch die Höhe der Spannung bestimmt, die im Querschnitt der Probe durch die Kraft induziert wird, die zu ihrem Bruch führt. Andere Parameter, die die Spannung in Stahlproben bestimmen, wie Druck-, Biege-, Scher- und Torsionsfestigkeit, werden ebenfalls geprüft.

Bei der Prüfung einer Stahlprobe auf Bruch werden auch die folgenden Werte ermittelt:
Bruchspannung, d. h. die tatsächliche Spannung an der Einschnürungsstelle der Zugprobe unmittelbar vor dem Bruch (dies ist der Wert der Bruchkraft in Bezug auf den Querschnitt der gebrochenen Probe an ihrer engsten Stelle);
relative Dehnung, d. h. die prozentuale Zunahme der Länge der gerissenen Probe im Verhältnis zu ihrer ursprünglichen Länge,
relative Einschnürung, d. h. die prozentuale Abnahme der Querschnittsfläche der gerissenen Probe an der Bruchstelle im Vergleich zu ihrem ursprünglichen Querschnitt.

Elastizität, verstanden als die Fähigkeit eines Materials, seine ursprüngliche Form wieder anzunehmen, nachdem die Kräfte, die die Verformung verursacht haben, aufgehört haben, auf es einzuwirken. Für die elastische Spannung gilt das Hooke'sche Gesetz.

Die Elastizität eines Materials wird bestimmt durch:
der Längselastizitätskoeffizient (Elastizitätsmodul) E, der für Stahl einen Wert zwischen 205 und 210 GPa (Gigapascal) hat
der Schermodul G (Kirchhoff-Modul), der für Stahl 80 GPa beträgt

Plastizität, d. h. die Fähigkeit eines Materials, seine verformte Form infolge von Belastungsspannungen beizubehalten, nachdem die Spannungen aufgehört haben. Dabei handelt es sich um die bleibende Verformung, die bei Überschreiten der so genannten Streckgrenze auftritt, bei der die Dehnung der Zugprobe deutlich zunimmt, auch ohne Zunahme und oft sogar mit Abnahme der Zugkraft. Vereinbarungsgemäß wird als Streckgrenze der Spannungswert angenommen, bei dem die bleibende Dehnung der Probe 0,2 % beträgt.

Duktilität - die Fähigkeit eines Materials, seine Eigenschaften bei der Verarbeitung durch Stanzen, Biegen oder Richten usw. beizubehalten. Diese Eigenschaft wird bei der Herstellung von Produkten (z. B. Trapezbleche, Türrahmen usw.) genutzt.

Stoßfestigkeit, d. h. Widerstand gegen dynamische Belastungen.

Härte, d. h. die Fähigkeit des Materials, dem Druck gegen härtere Gegenstände standzuhalten. Die Härte von Stahl hängt mit dem Gehalt an Kohlenstoff, Mangan, Chrom usw. zusammen.
Schweißbarkeit ist die Eigenschaft von Stahl, die es ermöglicht, dauerhafte Verbindungen durch Schweißen herzustellen.

 

KONSTRUKTIONSSTÄHLE WERDEN UNTERTEILT IN:

• Konstruktionsstähle für allgemeine Zwecke (Konstruktionsstähle für die Herstellung von Konstruktionen und Teilen von Maschinen und Anlagen für allgemeine Zwecke, wenn ihre Eigenschaften für ihre Funktion ausreichend sind. Baustähle für allgemeine Zwecke sind die niedrigsten Stahlsorten und enthalten erhebliche Mengen an Verunreinigungen, vor allem Schwefel, Silizium und Phosphor. Bei der Herstellung wird ein geringes technologisches Verfahren angewandt, was zu einer großen Bandbreite des Kohlenstoffgehalts führt. Allzweckstähle werden nicht wärmebehandelt. Diese Stähle werden in der Regel abgeschreckt, es sei denn, es wird gesondert darauf hingewiesen, dass sie nicht abgeschreckt werden.)
• höherwertige Konstruktionsstähle (Stähle, die sich durch enge Grenzen für den Kohlenstoff- und Mangangehalt und einen geringen Gehalt an Verunreinigungen, hauptsächlich Silizium (weniger als 0,7 %) und Phosphor, auszeichnen. Sie werden in der Regel als abgeschreckte Stähle geliefert und sind für die Wärmebehandlung geeignet)
• niedrig legierter Konstruktionsstahl (Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bis maximal 0,22 %, der Legierungszusätze in begrenzten Mengen enthält. Niedrig legierte Stähle werden für Konstruktionen verwendet, die der Witterung ausgesetzt sind, wie z. B. Brücken, Masten, Eisenbahnwaggons usw., wo ihre Verwendung gerechtfertigt ist. - wo immer ihr Einsatz wirtschaftlich gerechtfertigt ist. Sie zeichnen sich durch eine höhere Festigkeit als höherwertige Baustähle und eine höhere Korrosionsbeständigkeit aus)

Aufkohlungsstähle (Stähle, die für die chemische Behandlung der Aufkohlung verwendet werden. Für die Aufkohlung werden höherwertige, niedrig legierte Konstruktionsstähle und legierte Stähle mit niedrigem bis mittlerem Kohlenstoffgehalt (0,08 bis 0,25%) verwendet. Produkte aus diesem Stahl behalten nach dem Aufkohlen eine hohe Duktilität und Beständigkeit gegen Kernausbreitung und Oberflächenhärte)
Nitrierstahl (Stahl, der für die chemische Behandlung des Nitrierens verwendet wird. Für das Nitrieren werden niedrig legierte Baustähle und legierte Stähle mit einem Aluminiumgehalt von mehr als 1,0 % verwendet. Produkte aus diesem Stahl erhalten nach dem Nitrieren eine hohe Verschleißfestigkeit)
Abschreckstahl (Stahl, der für die Wärmebehandlung durch Abschrecken verwendet wird. Höherwertige, niedrig legierte und legierte Baustähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,25 bis 0,6 % werden zum Abschrecken verwendet)

Federstahl (Stahl, der für Federn und Torsionsstäbe verwendet wird. Federstähle sind Kohlenstoffstähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,6% - 0,85%, niedrig legierte Stähle mit Zusätzen von Silizium, Mangan, Chrom und Vanadium. Die meisten Federstähle haben einen hohen Siliziumgehalt, der normalerweise eine unerwünschte Verunreinigung darstellt. In diesen Anwendungen ist es jedoch ein erforderlicher Zusatzstoff, der die Duktilität des Stahls verringert)

Automatenstahl (Stahl, der für Kleinteile verwendet wird, z. B. Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben usw.). Wird für Teile verwendet, die keinen großen Belastungen ausgesetzt sind. Dieser in Stangenform gelieferte Stahl wird in automatischen Maschinen verwendet, die mit minimaler menschlicher Aufsicht arbeiten und Stahl benötigen, der kurze und spröde Späne bildet. Dies wird durch die Erhöhung des Schwefelanteils auf 0,35 % und des Phosphoranteils auf 0,15 % gewährleistet. Schwefel, der mit Metallen spröde Sulfide bildet, hat den größten Einfluss auf die Sprödigkeit der Späne)
Wälzlagerstahl (Stahl für die Herstellung von Wälzlagern. Wälzlagerkomponenten, die unter extremen Belastungsbedingungen arbeiten, erfordern hochwertigen Stahl, der unter besonders strengen technologischen Bedingungen hergestellt wird. Lagerstähle müssen enge und streng eingehaltene Toleranzen für Legierungselemente und Verunreinigungen sowie eine geeignete Struktur aufweisen)

Transformatorenstahl (Stahl mit besonderen magnetischen Eigenschaften, der für Transformatorenbleche verwendet wird. Es gibt wenig oder keine Wirbelströme oder Magnetostriktion. Beide Faktoren sind für den Energieverlust in einem Transformator, die so genannte Eisenverlustleistung, verantwortlich. Transformatorenstahl ist ein niedrig legierter Stahl mit erhöhtem Siliziumgehalt)

Werkzeugstahl - Stahl für die Herstellung von Werkzeugen, Messgeräteteilen und Halterungen. Werkzeugstähle zeichnen sich durch hohe Härte, Verschleißfestigkeit, geringe Umformbarkeit und Unempfindlichkeit gegen Überhitzung aus. Diese Eigenschaften werden durch einen hohen Kohlenstoffgehalt und eine geeignete Wärmebehandlung bei Werkzeugen mit geringer Verantwortung und durch die Verwendung geeigneter Legierungszusätze in Verbindung mit einer geeigneten Wärmebehandlung bei Werkzeugen mit Verantwortung erreicht.

Werkzeugstähle werden unterteilt in:
Kohlenstoff-Werkzeugstähle (Werkzeugstähle, die außer Kohlenstoff keine wichtigen Legierungszusätze enthalten und deren Gehalt zwischen 0,5 und 1,3 % liegt. Weitere Merkmale, die Kohlenstoff-Werkzeugstähle von Baustählen unterscheiden, sind der geringere Mangangehalt und die feine Korngröße. Die meisten Kohlenstoff-Werkzeugstähle müssen flach härtend sein (siehe Härtbarkeit von Stahl). Für weniger verantwortungsvolle Werkzeuge werden billigere, tiefhärtende Stähle verwendet. Eine flache Härtung ist wünschenswert, da sie der Werkzeugoberfläche Härte verleiht und gleichzeitig dem Werkzeugkern Schlagfestigkeit verleiht.)

Legierte Werkzeugstähle
Kaltarbeitsstähle (legierte Werkzeugstähle, die für Bearbeitungs- und Formwerkzeuge verwendet werden und sich während des Betriebs nur geringfügig erwärmen dürfen. Diese Stahlsorte wird auch für die Herstellung von Messgeräten verwendet. Kaltverformte Stähle müssen ihre Eigenschaften bis zu einer Temperatur von +200 °C beibehalten)
Warmarbeitsstähle (legierte Werkzeugstähle, die für Warmumformwerkzeuge und für den Bau von Gussformen verwendet werden, die sehr hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt sind. Diese Stähle müssen ihre Eigenschaften bis zu +600°C beibehalten. Dies wird durch die Verwendung von Wolfram und Molybdän als Legierungszusätze bis zu 8-10 % erreicht, wie es bei WWV-Stählen der Fall ist) Schnellarbeitsstähle (Schnellarbeitsstahl, eine Werkzeugstahllegierung, die zur Herstellung von Werkzeugen für die Bearbeitung mit hohen Schnittgeschwindigkeiten verwendet wird. Sie müssen ihre Härte und Form bis zu einer Temperatur von +600°C beibehalten. Dies wird durch die Verwendung von Legierungselementen - Kohlenstoff 0,75-1,3 %, Chrom 3,5-5,0 %, Wolfram 6-19 %, Vanadium 1,0-4,8 %, Molybdän 3,0-10 % und in einigen Sorten Kobalt 4,5-10,0 % - und eine geeignete Wärmebehandlung erreicht. Dabei wird geglüht, so dass die Legierungszusätze Verbindungen mit Kohlenstoff, so genannte Karbide, bilden, die sich weitgehend im Ferrit auflösen müssen. Dies erfordert eine sehr sorgfältige und langwierige Bearbeitung).

Heutzutage werden Werkzeugstähle, insbesondere solche von hoher Qualität, durch Stellite und Karbide verdrängt.

Spezialstahl - Stahl, der für besondere Anwendungen bestimmt ist. Spezialstähle enthalten eine große Anzahl von Legierungszusätzen, erfordern eine sehr komplexe Wärmebehandlung und stellen hohe Anforderungen an die Bearbeitung und Montage. Aufgrund ihres hohen Preises sind sie nicht weit verbreitet.

 

SPEZIALSTÄHLE GEHÖREN:

Rostfreier Stahl (Stahl, der gegen Witterungseinflüsse, verdünnte Säuren, Laugen und dergleichen beständig ist. Die Rostbeständigkeit des Stahls wird durch einen erhöhten Chromgehalt erreicht. Je höher der Chromgehalt ist, desto höher ist die Korrosionsbeständigkeit des Stahls. In der Regel werden 12 % bis 25 % Chrom verwendet. Ein höherer Kohlenstoffgehalt erhöht auch die Rostfreiheit des Stahls, aber zu viel Kohlenstoff macht den Stahl spröde. Nichtrostende Stähle werden einer Wärmebehandlung, dem Härten und Anlassen, unterzogen. Nichtrostende Stähle werden für Öltanks, Schwimmbadbecken, Rektifikationskolonnen, Anlagen in der Koksindustrie, Dampfturbinenschaufeln, Industrie- und Haushaltsarmaturen, medizinische Instrumente, Besteck, Anlagen in der Lebensmittelindustrie, Takelage und nautische Armaturen usw. verwendet.)

Säurebeständiger Stahl (Stahl, der gegen Säuren mit geringerer Stärke als Schwefelsäure beständig ist. Die Säurebeständigkeit wird durch die Stabilisierung des Austenits unter normalen Bedingungen erreicht, was durch hohe Gehalte an Chrom (17-20 %) und Nickel (8-14 %) sowie andere Legierungszusätze wie Mangan, Titan, Molybdän und Kupfer erreicht werden kann.

Nach dem Polieren werden säurebeständige Stähle verwendet. Da Legierungszusätze bei hohen Temperaturen dazu neigen, sich mit Kohlenstoff zu verbinden und harte Karbide zu bilden, ist nach dem Schweißen von Teilen aus säurebeständigen Stählen eine Wärmebehandlung erforderlich. Säurebeständige Stähle werden für den Bau von Säuretanks und Industrieanlagen für deren Herstellung und Verteilung sowie für andere Anlagen, die Säuren enthalten, z. B. in der Farbenindustrie, der Düngemittelherstellung usw., verwendet.)
Glühender Stahl (eine Sorte hitzebeständiger Stahl, der seine Festigkeit auch über einen weiten Temperaturbereich beibehalten muss).

Hitzebeständiger Stahl (Stahl, der gegen hohe Temperaturen beständig ist und periodisch oder kontinuierlich unter deren Einfluss arbeitet. Die Hitzebeständigkeit wird durch hohe Gehalte an Chrom (5-30%), Nickel (4-30%) und erhebliche Mengen an Molybdän (0,5-1,0%) und Wolfram (bis zu 2%) als Legierungszusätze erreicht. Der hohe Gehalt an Legierungszusätzen ermöglicht es, unter normalen Bedingungen ein austenitisches Gefüge zu erhalten. Die Obergrenze der Hitzebeständigkeit liegt bei 800°C bis 1200°C, je nach Zusammensetzung des Stahls. Hitzebeständige und hitzebeständige Stähle werden für Ofenteile, Dampfkessel, Heißgasgebläse, Aufkohlungskästen, Brennkammern von Gasturbinen und Kolbenventile von Verbrennungsmotoren verwendet)

Magnetischer Stahl (Stahl mit besonderen magnetischen Eigenschaften. Es gibt Stähle mit ferromagnetischen Eigenschaften, die für Dauermagnete verwendet werden. Stähle mit sehr geringem Kohlenstoffgehalt, bekannt als Ferrit, werden für Dauermagnete verwendet)

Verschleißfester Stahl (ein Stahl, bei dem ein sehr langsamer oberflächlicher Verschleiß, bekannt als Abrieb, auftritt. Es handelt sich um einen Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt, der 11 bis 14 % Mangan enthält. Es ist so hart, dass es nicht maschinell bearbeitet werden kann. Die fertigen Teile werden in Formen gegossen, so dass es sich trotz der Bezeichnung Stahl technisch gesehen um Gussstahl handelt.)

Hadfield-Stahl - (Bezeichnung: X120Mn13) - ein Stahl mit hoher Verschleißfestigkeit. Es enthält 1,1-1,3% C und 12-13% Mn. Oberhalb von 950°C weist Hadfield-Stahl ein austenitisches Gefüge auf. Wenn es auf Raumtemperatur abgekühlt ist, ist es eine Mischung aus Ferrit und Manganzementit. Dieser Stahl zeichnet sich durch eine sehr hohe Verfestigungsneigung aus, da sich bei der Zerkleinerung Mikroblöcke bilden. Die Härte eines solchen Stahls beträgt etwa 500 HB. Hadfield-Stahl verfestigt sich während des Betriebs. Es wird hauptsächlich für Bauteile verwendet, die unter hohem Druck besonders starkem Verschleiß ausgesetzt sind: Baggerkörbe, Traktorenketten, Eisenbahnweichen.

 

NACH ART UND ANTEIL DER LEGIERUNGSELEMENTE:

Kohlenstoffstahl - Stahl, bei dem das Element, das seine Eigenschaften bestimmt, Kohlenstoff ist.
Kohlenstoffstahl wird in großem Umfang für die Herstellung von Konstruktionen und Teilen mechanischer Geräte verwendet, wenn seine Eigenschaften ausreichen.

Kohlenstoffstähle werden unterteilt in:

• gewöhnliche Kohlenstoffstähle - ohne zusätzliche Behandlung verwendet
• höherwertige Kohlenstoffstähle, die häufig einer zusätzlichen Wärme- oder chemischen Behandlung unterzogen werden.
• Je nach Kohlenstoffgehalt werden sie unterteilt in:
• kohlenstoffarme Stähle - mit einem Kohlenstoffgehalt von bis zu etwa 0,3 %.
• Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt - mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,3 bis 0,6
• Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt - mit einem Kohlenstoffgehalt von über 0,6 %.

Legierter Stahl - Stahl, der neben Kohlenstoff auch andere Legierungselemente enthält, deren Gehalt von einigen wenigen bis zu mehreren zehn Prozent reicht und die die Eigenschaften des Stahls erheblich verändern. Legierungszusätze werden hinzugefügt, um: die Härtbarkeit des Stahls zu erhöhen, die Festigkeit des Stahls zu steigern, bestimmte physikalische und chemische Eigenschaften des Stahls zu verändern. Legierte Stähle, die in der Regel sehr teuer sind, werden für spezielle Anwendungen verwendet, bei denen dies wirtschaftlich sinnvoll ist.

Stahl hat sich in einer Vielzahl von technischen Anwendungen durchgesetzt. In der Bauindustrie ist es einer von mehreren Grundbaustoffen.
Die in diesem Bereich der Wirtschaft am häufigsten verwendeten Stahlsorten sind niedrig legierte Stähle und allgemeine Stähle (auch unlegierte Stähle genannt).
In der ersten Gruppe sind die beliebtesten (Bezeichnungen nach PN-88/H-84020) Gruppen mit den Symbolen St0S, St3S und St4S. Die zweite Gruppe umfasst Stähle von

höhere Festigkeit (bezeichnet nach PN-86/H-84018) mit den Symbolen 18G2, 18G2A und 18G2AV
rostarme Stähle (gekennzeichnet nach PN-82/H-84017) mit den Symbolen 10HA, 10H, 12HIJA, 12PJA
Stähle zur Herstellung von Rohren (gekennzeichnet nach PN-89/H-84023.7) mit den Symbolen R, R35, R45, 12X. Die Stähle 18G2A und St3S werden ebenfalls für die Herstellung von Rohren verwendet.

 

ZU DEN AM HÄUFIGSTEN VERWENDETEN ZUSATZSTOFFEN IN STÄHLEN GEHÖREN:

• Nickel (senkt die austenitische Umwandlungstemperatur und die Härtungsgeschwindigkeit. In der Praxis erleichtert es den Härtungsprozess und erhöht die Härtungstiefe. Das im Ferrit gelöste Nickel verstärkt es und erhöht die Schlagzähigkeit erheblich. Nickelzusätze von 0,5 % bis 4 % werden den Vergütungsstählen und 8 % bis 10 % den säurebeständigen Stählen zugesetzt. In Stahlsymbolen wird der Zusatz durch den Buchstaben N gekennzeichnet).
• Chrom (bewirkt eine Verringerung der Korngröße. Erhöht die Härtbarkeit des Stahls. Erhöht die Kraft. Wird in Werkzeug- und Spezialstählen verwendet. Bei letzteren sind es bis zu 30 %. In Stahlsymbolen wird der Zusatz durch den Buchstaben H gekennzeichnet).
• Mangan (senkt die austenitische Umwandlungstemperatur und stabilisiert bei Gehalten über 15 % das austenitische Gefüge und ermöglicht es, es bei normalen Temperaturen zu erhalten. Schon bei einem Gehalt von 0,8 bis 1,4 % erhöht es die Zug-, Schlag- und Abriebfestigkeit erheblich. In Stahlsymbolen wird der Zusatz mit dem Buchstaben G) gekennzeichnet.
• Wolfram (erhöht die Feinheit des Stahls, erhöht die Festigkeit und Abriebfestigkeit. Ein hoher Wolframzusatz von 8 bis 20 % erhöht die Anlaßbeständigkeit des Stahls. In Stahlsymbolen wird der Zusatz durch den Buchstaben W gekennzeichnet).
• Molybdän (erhöht die Härtbarkeit von Stahl. Erhöht die Festigkeit, verringert die Sprödigkeit und erhöht die Kriechfestigkeit. In Stahlsymbolen wird der Zusatz mit dem Buchstaben M gekennzeichnet).
• Vanadium (erhöht den Feinheitsgrad des Stahls und steigert seine Härte erheblich. In Stahlsymbolen wird der Zusatz mit dem Buchstaben V (F) gekennzeichnet.
• Kobalt (erhöht die Feinheit des Stahls und steigert seine Härte erheblich. In Stahlsymbolen wird sein Zusatz mit dem Buchstaben K bezeichnet) Silizium (wird normalerweise als unerwünschte Beimischung betrachtet, da es die Sprödigkeit des Stahls erhöht. Es wird zu einem begehrten Bestandteil von Federstählen. Da es die Energiestromverluste im Stahl verringert, wird es in Mengen von bis zu 4 % dem Transformatorenstahl zugesetzt. In Stahlsymbolen wird der Zusatz durch den Buchstaben S gekennzeichnet).
• Titan (in den Stahlsymbolen wird der Zusatz von Titan mit dem Buchstaben T gekennzeichnet).
• Niob (in den Stahlsymbolen wird der Zusatz von Niob durch den Buchstaben Nb gekennzeichnet.
• Aluminium (in Stahlsymbolen wird der Zusatz von Aluminium mit dem Buchstaben A gekennzeichnet).
• Kupfer (hat ähnliche physikalische Eigenschaften wie reines Eisen, ist aber wesentlich korrosionsbeständiger. Kupfer ist ein begehrter Zusatzstoff, und sein Gehalt nimmt mit der Verwendung von Stahlschrott bei der Verhüttung von neuem Stahl stetig zu. In Stahlsymbolen wird der Zusatz durch die Buchstaben Cu) gekennzeichnet.

 

ZU DEN PARAMETERN, DIE DIE EIGENSCHAFTEN VON STAHL ALS WERKSTOFF BESTIMMEN, GEHÖREN PHYSIKALISCHE, MECHANISCHE UND TECHNOLOGISCHE MERKMALE.

Physikalische Eigenschaften von Stahl:
Dichte ρ = 7850 kg/m3
Koeffizient der linearen Ausdehnung αT = 0,000012 0C-1
Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ = 58 W/mK
Poissonsche Zahl ν = 0,30
spezifischer Widerstand (20 °C, 0,37-0,42 % Kohlenstoff) = 171-10-9 [Ω-m].