Die Metallurgie des Schweißens - Eisenwerkstoffe - Nichteisenmetallische Werkstoffe

von: Günter Schulze

Springer-Verlag, 2009

ISBN: 9783642031830

Sprache: Deutsch

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Die Metallurgie des Schweißens - Eisenwerkstoffe - Nichteisenmetallische Werkstoffe

	Vorwort zur vierten Auflage	4
	Vorwort zur ersten Auflage	4
	Inhalt	7
	Grundlagen der Werkstoffkunde und der Korrosion	20
	1.1 Schweißtechnik erfordert die Werkstoffkunde	20
	1.2 Aufbau metallischer Werkstoffe	21
	1.2.1 Bindungsformen der Metalle	21
	1.2.1.1 Metallische Bindung	23
	1.2.1.3 Atombindung (kovalente Bindung)	24
	1.2.1.2 Ionenbindung ( heteropolare Bindung)	24
	1.2.2 Gitteraufbau der Metalle	25
	1.2.2.1 Gitterbaufehler (Realkristalle)	26
	1.2.3 Gefüge, Korn, Kristallit, Korngröße	31
	1.3 Mechanische Eigenschaf-ten der Metalle	34
	1.3.1 Verformungsvorgänge in Idealkristallen	34
	1.3.2 Verformungsvorgänge in technischen Metallen	35
	1.3.3 Verfestigung der Metalle	37
	1.3.4 Einfl uss der Korngrenzen	38
	1.4 Phasenumwandlungen	41
	1.4.1 Phasenumwandlung fl üssig-fest	43
	1.4.1.1 Primärkristallisation von (reinen) Metallen	43
	1.4.1.2 Primärkristallisation von Legierungen	46
	1.4.2 Phasenumwandlungen im festen Zustand	49
	1.4.2.1 Diffusionskontrollierte Phasenumwandlungen	51
	1.4.2.2 Diffusionslose Phasenumwand-lungen ( Martensitbildung)	53
	1.5 Thermisch aktivierte Vorgänge	57
	1.5.1 Diffusion	57
	1.5.2 Erholung und Rekristallisation	61
	1.5.3 Warmverformung	64
	1.6 Grundlagen der Legierungskunde	65
	1.6.1 Aufbau und Eigenschaften der Phasen	65
	1.6.1.1 Mischkristalle	65
	1.6.2 Zustandsschaubilder	68
	1.6.2.1 Zustandsschaubild für vollkommene Löslichkeit im fl üssigen und festen Zustand	69
	1.6.2.2 Eutektische Systeme	70
	1.6.2.3 Systeme mit begrenzter Löslichkeit	72
	1.6.2.4 Systeme mit intermediären Phasen	72
	1.6.2.5 Systeme mit Umwandlungen im festen Zustand	74
	1.6.3 Nichtgleichgewichtszustände	74
	1.6.3.1 Kristallseigerung	74
	1.6.3.2 Entartetes Eutektikum	76
	1.6.4 Aussagefähigkeit und Bedeu-tung der Zustandsschaubilder für das Schweißen	76
	1.6.4.1 Abschätzen des Schweißverhaltens	76
	1.6.4.2 Mechanische Gütewerte	77
	1.6.5 Dreistoffsysteme	78
	1.6.5.1 Ternäre Schaubilder in ebener Darstellung	80
	1.7 Grundlagen der Korrosion	82
	1.7.1 Defi nitionen und Begriffe	83
	1.7.2 Elektrochemische Vorgänge	84
	1.7.3 Korrosionsmechanismen in wässrigen Lösungen	87
	1.7.3.1 Wasserstoffkorrosion (Säurekorrosion)	88
	1.7.3.2 Sauerstoffkorrosion	89
	1.7.3.3 Das Korrosionsverhalten beeinfl ussende Faktoren Ionenkonzentration	90
	1.7.4 Elektrochemische Polarisation	96
	1.7.4.1 Stromdichte-Potenzial-Kurven	97
	1.7.4.2 Aktivierungspolarisation	97
	1.7.4.3 Konzentrationspolarisation	99
	1.7.5 Passivität	100
	1.7.6 Korrosionsarten	102
	1.7.6.1 Korrosionsarten ohne mechanische Beanspruchung	102
	1.7.6.1.1 Kontaktkorrosion	103
	1.7.6.1.2 Lochkorrosion (Lochfraß)	103
	1.7.6.1.3 Spaltkorrosion (Berührungskorrosion)	105
	1.7.6.1.4 Selektive Korrosion	106
	1.7.6.1.5 Korrosionsvorgänge in besonderen Umgebungen	107
	1.7.6.2 Korrosionsarten mit mechani-scher Beanspruchung 1.7.6.2.1 Spannungsrisskorrosion (SpRK)	110
	1.7.6.2.2 Kavitation(skorrosion)	112
	1.7.6.2.3 Erosion(skorrosion)	113
	1.7.7 Gestaltungsrichtlinien	113
	1.7.6.2.4 Reibkorrosion (»Fressen«)	113
	1.7.7.2 Konzentrationselemente	117
	1.7.7.1 Spalt-, Berührungskorrosion	117
	1.7.7.3 Wasserlinienkorrosion, atmosphärische Korrosion	117
	1.7.7.4 Kontaktkorrosion	118
	1.7.7.5 Spannungsrisskorrosion (SpRK)	118
	1.7.7.6 Besonderheiten beim Schweißen	119
	1.7.8 Hinweise zum Korrosionsschutz	120
	1.7.8.1 Aktive Schutzverfahren	120
	1.7.8.2 Passive Schutzverfahren	125
	1.8 Aufgaben zu Kapitel 1	129
	1.9 Schrifttum	140
	Stähle – Werkstoffgrundlagen	142
	2.1 Allgemeines	142
	2.2 Einteilung der Stähle	143
	2.3 Stahlherstellung	144
	2.3.1 Erschmelzungsverfahren	144
	2.3.1.1 Sekundärmetallurgie	147
	2.3.2 Vergießungsverfahren	149
	2.3.2.1 Vergießen und Erstarren des Stahles	150
	2.3.2.2 Unberuhigt vergossener Stahl	151
	2.3.2.3 Beruhigt vergossener Stahl	151
	2.3.2.4 Besonders beruhigt vergossener Stahl	152
	2.4 Das Eisen-KohlenstoffSchaubild (EKS)	152
	2.5 Die Wärmebehand lung der Stähle	155
	2.5.1 Glühbehandlungen	157
	2.5.1.1 Spannungsarmglühen	157
	2.5.1.2 Normalglühen	158
	2.5.2 Härten und Vergüten	159
	2.5.2.1 Härten	159
	2.5.2.2 Vergüten	162
	2.5.3 Die Austenitumwandlung im ZTUund ZTA-Schaubild	164
	2.5.3.1 ZTU-Schaubilder für kontinuierliche Abkühlung	167
	2.5.3.2 ZTU-Schaubilder für isothermische Wärmeführung	169
	2.5.3.3 Möglichkeiten und Grenzen der ZTU-Schaubilder	169
	2.5.3.4 Anwendbarkeit der ZTU-Schaubilder auf Schweißvorgänge	171
	2.5.3.5 ZTA-Schaubilder	174
	2.6 Festigkeitserhöhung metallischer Werkstoffe	176
	2.6.1 Prinzip der Festigkeitserhöhung	176
	2.6.2 Abschätzen der maximalen Festigkeit	177
	2.6.2.1 Theoretische Schubfestigkeit	177
	2.6.2.2 Theoretische Kohäsionsfestigkeit	178
	2.6.3 Methoden zum Erhöhen der Festigkeit	178
	2.6.3.1 Kaltverfestigung	178
	2.6.3.2 Mischkristallverfestigung	179
	2.6.3.3 Ausscheidungshärtung	180
	2.6.3.4 Korngrenzenhärtung	184
	2.6.3.5 Martensithärtung	184
	2.6.3.6 Thermomechanische Behandlung	186
	2.7 Unlegierte und (niedrig-)legierte Stähle	186
	2.7.1 Wirkung der Legierungselemente	186
	2.7.2 Unlegierte Baustähle nach DIN EN 10025-2	187
	2.7.3 Stähle für den Maschinen-und Fahrzeugbau	190
	2.7.3.1 Vergütungsstähle	193
	2.7.3.2 Einsatzstähle	194
	2.7.4 Warmfeste Stähle	196
	2.7.5 Kaltzähe Stähle	201
	2.7.6 Feinkornbaustähle	203
	2.7.6.1 Normalgeglühte Feinkornbaustähle	207
	2.7.6.2 Thermomechanisch gewalzte Feinkornbaustähle	209
	2.7.6.3 Vergütete Feinkornbaustähle	216
	2.8 Korrosionsbeständige Stähle	219
	2.8.1 Erzeugen und Erhalten der Korrosionsbeständigkeit	219
	2.8.2 Korrosionsverhalten der Stähle in speziellen Medien	221
	2.8.3 Werkstoffl iche Grundlagen	222
	2.8.3.1 Die Zustandsschaubilder Fe-Cr, Fe-Ni	222
	2.8.3.2 Das Zustandsschaubild Fe-Cr-Ni	223
	2.8.3.3 Einfl uss wichtiger Legierungselemente Nickel	224
	2.8.3.4 Ausscheidungsund Entmischungsvorgänge 2.8.3.4.1 Interkristalline Korrosion (IK)	227
	2.8.3.4.2 Sigma-Phase (	229
	2.8.3.4.3 475 °C-Versprödung	230
	2.8.4 Einteilung und Stahlsorten	233
	2.8.4.1 Martensitische Chromstähle	234
	2.8.4.2 Ferritische Chromstähle	234
	2.8.4.3 Austenitische Chrom-Nickel-Stähle	236
	Stickstoffl egierte austenitische Stähle	239
	2.8.4.4 Austenitisch-ferritische Stähle ( Duplexstähle)	240
	2.9 Aufgaben zu Kapitel 2	243
	2.10 Schrifttum	254
	Einfl uss des Schweißprozes ses auf die Eigenschaften der Verbindung	256
	3.1 Schweißbarkeit – Begriff und Defi nition	256
	3.1.1 Schweißeignung	257
	3.1.2 Schweißsicherheit	257
	3.1.3 Schweißmöglichkeit	257
	3.1.4 Bewertung und Folgerungen	258
	3.2 Schweißeignung der Stähle	258
	3.2.1 Unlegierte Stähle	258
	3.2.1.1 Erschmelzungsund Vergießungsart	258
	3.2.1.2 Chemische Zusammensetzung	259
	3.2.2 Legierte Stähle	262
	3.3 Wirkung der Wärmequelle	263
	3.3.1 Temperatur-Zeit-Verlauf	264
	3.3.2 Eigenspannung	268
	3.3.2.1 Querschrumpfung	271
	3.3.2.2 Winkelschrumpfung	271
	3.3.2.3 Längsschrumpfung	272
	3.3.2.4 Haupteinfl üsse auf Schrump-fungen und Spannungen Wärmemenge und Schweißverfahren	272
	3.3.3 Metallurgische Wirkungen des Temperatur-Zeit-Verlaufs	273
	3.3.3.1 Sauerstoff	275
	3.3.3.2 Stickstoff	276
	3.3.3.3 Wasserstoff	277
	3.4 Das Sprödbruchproblem	280
	3.4.1 Werkstoffmechanische Grundlagen	280
	3.4.2 Probleme konventioneller Berechnungskonzepte	282
	3.4.3 Sprödbruchbegünstigende Faktoren	284
	3.4.3.1 Werkstoffl iche Faktoren	285
	3.4.3.2 Konstruktive Faktoren	286
	3.5 Fehler in der Schweißverbindung	287
	3.4.4 Maßnahmen zum Abwenden des Sprödbruchs	287
	3.5.1 Metallurgische Fehler	288
	3.5.1.1 Die Wirkung der Gase	289
	3.5.1.2 Fehler beim Schweißbeginn und Schweißende	290
	3.5.1.3 Probleme des Einbrands	292
	3.5.1.4 Einschlüsse	293
	3.5.1.5 Zündstellen	294
	3.5.1.6 Rissbildung im Schweißgut und in der WEZ	295
	3.5.2 Bewertung der Fehler	305
	3.6 Aufgaben zu Kapitel 3	308
	3.7 Schrifttum	315
	Schweißmetallurgie der Eisenwerkstoffe	317
	4.1 Aufbau der Schweißverbindung	317
	4.1.1 Vorgänge im Schweißbad	318
	4.1.1.1 Die Primärkristallisation der Schweißschmelze	318
	4.1.1.2 Massentransporte im Schweißbad	325
	4.1.2 Werkstoffl iche Vorgänge in der Wärmeeinfl usszone	327
	4.1.3 Die WEZ in Schweißverbin-dungen aus umwandlungs-fähigen Stählen	328
	4.1.3.1 Der Einfl uss des Nahtaufbaus	334
	4.1.3.2 Eigenschaften und mechanische Gütewerte	336
	4.1.3.3 Vorwärmen der Fügeteile	345
	4.1.3.4 Einfl uss der Stahlherstellungsart und der chemischen Zusammensetzung	351
	4.1.4 Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe	352
	4.2 Zusatzwerkstoffe und Hilfsstoffe zum Schweißen unlegierter Stähle und von Feinkornbaustählen	354
	4.2.1 Konzepte der Normung	354
	4.2.2 Metallurgische Betrachtungen	355
	4.2.3 Schweißzusätze für Stähle mit einer Mindeststreckgrenze bis 500 N/mm2	355
	4.2.3.1 Umhüllte Stabelektroden für das Licht bogenhandschweißen ( DIN EN ISO 2560)	355
	4.2.3.1.1 Aufgaben der Elektrodenumhüllung	356
	4.2.3.1.2 Metallurgische Grundlagen	357
	4.2.3.1.3 Eigenschaften der wichtigsten Stabelektroden	359
	4.2.3.1.4 Bedeutung des Wasserstoffs	362
	Zellulose-umhüllte Stabelektroden (C)	362
	4.2.3.1.5 Normung der umhüllten Stabelektroden	367
	4.2.3.2 Schweißzusätze für das Schutzgasschweißen	371
	4.2.3.3 Schweißzusätze für das UP-Schweißen	381
	4.2.3.3.1 Drahtelektroden	381
	4.2.3.3.2 Schweißpulver	384
	4.3 Schweißen der wichtigsten Stahlsorten	392
	4.2.4 Schweißzusätze für Stähle mit einer Mindeststreckgrenze über 500 N/mm2	392
	4.3.1 Unlegierte niedriggekohlte C-Mn-Stähle	392
	4.3.1.1 Baustähle nach DIN EN 10025-2	397
	4.3.2 Feinkornbaustähle	402
	4.3.2.1 Allgemeine Konzepte	402
	4.3.2.2 Einfl uss der Abkühlbedingungen auf die mechanischen Gütewerte der Verbindung	403
	4.3.2.3 Fertigungstechnische Hinweise Nahtvorbereitung	407
	4.3.2.4 Schweißzusatzwerkstoffe	411
	4.3.3 Feinkornbaustähle	416
	4.3.4 Höhergekohlte Stähle	420
	4.3.5 Warmfeste Stähle	424
	4.3.5.1 Ferritische Stähle (ferritisch-perlitisch)	425
	4.3.5.2 Ferritische Stähle (ferritisch-bainitisch)	425
	4.3.5.3 Ferritische Stähle (martensitisch)	427
	4.3.5.4 Austenitische Stähle	429
	4.3.5.5 Versprödungsund Rissmechanismen	429
	4.3.6 Kaltzähe Stähle	431
	4.3.7 Korrosionsbeständige Stähle	432
	4.3.7.1 Einfl uss der Verarbeitung auf das Korrosionsverhalten	432
	4.3.7.2 Konstitutions-Schaubilder	435
	4.3.7.4 Ferritische und halbferritische Stähle	443
	4.3.7.5 Austenitische Chrom-Nickel-Stähle	449
	4.3.7.6 Austenitisch-ferritische Stähle ( Duplexstähle)	458
	4.3.8 Verbinden/Auftragen unterschiedlicher Werkstoffe	464
	4.3.8.1 Austenit-FerritVerbindungen	464
	4.3.8.2 Schweißplattieren	466
	4.3.8.3 Schweißpanzern	469
	4.4 Eisen-Gusswerkstoffe	474
	4.4.1 Stahlguss (G, GS, GE, GX)	474
	4.4.1.1 Stahlguss für allgemeine Verwendung	474
	4.4.1.2 Hochfester schweißgeeigneter Stahlguss	478
	4.4.1.3 Legierter Stahlguss	480
	4.4.2 Gusseisen (EN-GJL, alt: GG	480
	4.4.2.1 Gusseisen mit Lamellengrafi t (EN-GJL, alt: GG)	481
	4.4.2.2 Gusseisen mit Kugelgrafi t (EN-GJS, alt: GGG)	485
	4.4.3 Temperguss (EN-GJMW, alt: GTW	492
	4.4.3.1 Weißer Temperguss (EN-GJMW, alt: GTW)	492
	4.4.3.2 Schwarzer Temperguss (EN-GJMB, alt: GTS)	495
	4.5 Aufgaben zu Kapitel 4	496
	4.6 Schrifttum	513
	Schweißmetallurgie der nichteisenmetallischen Werkstoffe	520
	5.1 Die WEZ in Schweiß-verbindungen aus Nichteisenmetallen	520
	5.1.1 Einphasige Werkstoffe	521
	5.1.2 Mehrphasige Werkstoffe	522
	5.1.3 Ausscheidungshärtende Legierungen	522
	5.1.4 Hochreaktive Werkstoffe	524
	5.1.5 Kaltverfestigte Werkstoffe	525
	5.2 Schwermetalle	525
	5.2.1 Kupfer und Kupferlegierungen	526
	5.2.1.1 Hinweise zum Schweißen 5.2.1.1.1 Kupfer	528
	5.2.1.1.2 Kupferlegierungen	532
	5.2.2 Nickel und Nickellegierungen	537
	5.2.2.1 Einfl uss der Legierungselemente auf das Schweißverhalten	541
	5.2.2.2 Schweißmetallurgie 5.2.2.2.1 Allgemeine Werkstoffprobleme	542
	5.2.2.3 Schweißpraxis	546
	5.3 Leichtmetalle	548
	5.3.1 Aluminium und Aluminiumlegierungen	548
	5.3.1.1 Lieferformen	550
	5.3.1.2 Bezeichnungsweise	550
	5.3.1.3 Metallurgisch bedingte Schweißnahtdefekte	552
	5.3.1.4 AluminiumKnetlegierungen	553
	5.3.1.5 AluminiumGusslegierungen	554
	5.3.1.6 Ausscheidungshärtende Aluminiumlegierungen	554
	5.3.1.7 Aluminium-Sonderlegierungen	560
	5.3.1.8 Schweißzusatzwerkstoffe	562
	5.3.1.9 Schweißpraxis	564
	5.3.1.9.1 Vorbereitende Maßnahmen	565
	5.3.1.9.2 Schweißverfahren	565
	5.3.2 Magnesium und Magnesiumlegierungen	568
	5.3.3 Beryllium	570
	5.4 Hochschmelzende und hochreaktive Werkstoffe	570
	5.4.1 Titan und Titanlegierungen	571
	5.4.1.1 Eigenschaften und Schweiß-verhalten der Titanwerkstoffe	573
	5.4.1.2 Metallurgisch bedingte Schweißnahtdefekte	577
	5.4.1.3 Schweißpraxis	578
	5.4.2 Molybdän und Molybdänlegierungen	579
	5.4.3 Zirkonium und Zirkoniumlegierungen	580
	5.5 Aufgaben zu Kapitel 5	583
	5.6 Schrifttum	591
	6 Anhang (spezielle Werkstoffprüfverfahren)	596
	6.1 Prüfung auf Heißrissanfälligkeit	596
	6.1.2 Verfahren mit Fremd-beanspruchung der Probe	597
	6.1.1 Verfahren mit Selbst-beanspruchung der Probe	597
	6.2 Prüfung auf Kaltrissanfälligkeit	600
	6.2.1 Implant-Test	600
	6.2.2 Der	603
	6.3 Der Kerbschlagbiegeversuch (DIN EN 10045)	604
	6.4 Der instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch	608
	6.5 Das COD-Konzept von	611
	6.6 Schrifttum	613
	7 Sachwortverzeichnis	614

Die Metallurgie des Schweißens - Eisenwerkstoffe - Nichteisenmetallische Werkstoffe

von: Günter Schulze

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