DE973768C

DE973768C - Verwendung eines Stahles fuer Spannbetoneinlagen

Info

Publication number: DE973768C
Application number: DE1948P0008157
Authority: DE
Inventors: Cornelius Huecking; Walter Dr-Ing Jaenische; Guenther Dr-Ing Thiel
Original assignee: HUETTENWERK RHEINHAUSEN AG
Current assignee: HUETTENWERK RHEINHAUSEN AG
Priority date: 1948-10-02
Filing date: 1948-10-02
Publication date: 1960-06-02

Description

Verwendung eines Stahles für Spannbetoneinlagen Der Berechnung von Spannbetonkonstruktionen liegt die Annahme zugrunde, daß die mit Vorspannung in den Beton eingesetzten Stahleinlagen ihre Elastizität und damit ihre Spannkraft behalten. Bei der Festlegung der zulässigen Belastung, bis zu der die Stahleinlagen ohne bleibende Dehnung belastet werden können, ist man dabei von der sogenannten o,oi-Grenze ausgegangen, d. h. der bei kurzzeitiger Beanspruchung im Zerreißversuch ermittelten Spannung, die eine bleibende Dehnung von o,oi °/o hinterläßt und die durch Norm als Elastizitätsgrenze festgelegt ist. Man hat auch geglaubt, die zulässige Belastung von Stählen für Spannbetoneinlagen dadurch erhöhen zu können, daß man die Elastizitätsgrenze durch Erhöhung der Streckgrenze heraufsetzte, wobei bei Stählen mit nicht ausgeprägter Fließgrenze die eine bleibende Dehnung von 0,2 °/a hinterlassende Spannung durch Norm als Streckgrenze festgelegt ist. Wirksame Mittel zur Erhöhung der Streckgrenze von Stählen sind das Legieren und das Kaltverformen. Man hat daher bisher für hochbeanspruchte Spannbetoneinlagen nur legierte oder kaltverformte Stähle verwendet und die für diese Stähle zulässige Belastung nach ihrer o,oi-Grenze bestimmt. Es wurde jedoch gefunden, daß bei den vorerwähnten Stählen auch unterhalb der Streckgrenze bei lang andauernden statischen Beanspruchungen bei Raumtemperatur ein sogenanntes Kriechen auftreten kann. Die Berechnung und Bemessung von Spannbetonbauten ist daher nur möglich, wenn als Spannbetoneinlage ein Stahl zur Verfügung steht, von dem mit Sicherheit vorausgesagt werden kann, daß er kriechfest ist. Die Erforschung der Ursachen des Kriechens und die Lösung des Problems der Schaffung kriechfester Stähle ist daher von außerordentlicher Bedeutung. Es hat sich nun gezeigt, daß ein Kriechen nicht eintritt, wenn im Gefüge des Stahls Ausscheidungen hervorgerufen werden, welche in den Gleitflächen als Gleithemmungen wirken. Es ist bekannt, daß gewisse Elemente die Neigung haben, sich bei Raumtemperatur auszuscheiden, wenn eine Legierung mit diesen Elementen übersättigt ist, d. h. dieses Element in der Legierung in größerem Umfange gelöst ist, als dem Gleichgewichtszustande bei Raumtemperatur entspricht, und dabei eine sogenannte Ausscheidungshärtung hervorzurufen, welche die Streckgrenze erhöht. Für die Erhöhung der Streckgrenze ist aber das Legieren und Kaltverformen von wesentlich größerem Einfluß als die Ausscheidungshärtung, so daß bisher kein Anreiz vorlag, durch Ausscheidungshärtung beeinflußte Stähle als Spannbetoneinlagen zu verwenden. Es wurde jedoch gefunden, daß für die Erzielung einer hohen Kriechgrenze die Ausscheidungshärtung von wesentlichem Einfluß ist, weil sie die Kriechgrenze praktisch auf die Elastizitätsgrenze heraufsetzt und in dieser Beziehung ungleich wirksamer ist als Legieren und Kaltverformen. Gemäß der Erfindung werden daher als Werkstoff für Spannbetoneinlagen solche Stähle verwendet, die außer Kohlenstoff noch in einer den Sättigungsgrad bei Raumtemperatur übersteigenden Menge andere Elemente enthalten, die bei dieser Gehaltsmenge die Fähigkeit und Neigung besitzen, unter statischen Beanspruchungen bei Raumtemperatur, sobald eine bleibende Dehnung einsetzt, solche Ausscheidungen im Gefüge des Stahles hervorzurufen, die Gleithemmungen erzeugen. Als solche Elemente sind z. B. Stickstoff, Kupfer und Phosphor bekannt. Die Löslichkeit vieler Elemente dieser Art ist bereits eingehend erforscht und bekannt. In der Abbildung sind die Löslichkeitsverhältnisse in einem Zweistoffdiagramm veranschaulicht. Die beiden Stoffe sind mit A und B bezeichnet. Auf der Abszisse sind von links nach rechts die Gehalte von A abnehmend und von B zunehmend aufgetragen. Eine in der Mitte der Abszisse liegende Legierung enthält also von beiden Elementen j e 50 0/0. Als Ordinate ist die Temperatur aufgetragen. Jede aus den Elementen A und B bestehende Legierung ist oberhalb der Linie i-2-3 im flüssigen Zustande. Unterhalb der Linie i-2 scheiden sich Mischkristalle, in denen das Element B im Element A gelöst ist, unterhalb der Linie 2-3 Mischkristalle, in denen das Element A im Element B gelöst ist, bei der Abkühlung in zunehmendem Maße aus. Ist die Temperatur auf die sogenannte eutektische Linie 4-5 abgesunken, sinkt sie nicht weiter ab, bis alles, was bis dahin noch nicht erstarrt ist, als eutektische Grundmasse erstarrt. Bei weiterem Absinken der Temperatur der erstarrten Legierung bleiben deren Bestandteile jedoch nicht im Gleichgewicht. Die Löslichkeit der Elemente in den Mischkristallen verringert sich bei absinkender Temperatur. Die Löslichkeit des Elementes B im Element A ist z. B. durch die Linie 1-4-6 dargestellt. Die Löslichkeit nimmt bei absinkender Temperatur vom Punkt i bis zum Punkt 4 zu und von da an bis zum Punkt 6 wieder ab. Die durch den Punkt 4 gekennzeichnete Menge des im Mischkristall gelösten Bestandteiles B scheidet sich bei weiterer Abkühlung aus der festen Grundmasse wieder aus, bis bei Raumtemperatur noch die durch den Punkt 6 gekennzeichnete Menge des Elementes B in der Legierung gelöst verbleibt. Die in dem Schaubild enthaltene Darstellung des Ausscheidungsvorganges gilt jedoch nur für den Idealfall. Tatsächlich ist die ausgeschiedene Menge von der Abkühlungs- und auch von der Diffusionsgeschwindigkeit abhängig. Wird z. B. eine Legierung, deren Zusammensetzung durch die Linie I dargestellt ist und die im Punkt 7 eine durch diesen Punkt gekennzeichnete Menge des Elementes B in A gelöst zu enthalten vermag, sehr schnell auf die dem Punkt 8 entsprechende Temperatur abgekühlt, behält sie die gleiche Menge des Elementes B in Lösung. Die Legierung würde sich jedoch nur dann im Gleichgewicht befinden, wenn nur noch die durch den Punkt 6 gekennzeichnete Menge des Bestandteiles B in Lösung verblieben wäre. Sie hat daher die Neigung, das Element B, soweit es über den Sättigungsgrad im Mischkristall enthalten ist, wieder auszuscheiden. Diese Ausscheidung tritt j e nach der Art der Legierung tatsächlich auch mehr oder weniger schnell ein und ruft in den Gefügegleitflächen die Gleithemmungen hervor, welche sich die Erfindung zunutze macht und die den Stahl kriechfest machen. Gemäß der Erfindung werden daher für den erfindungsgemäßen Verwendungszweck solche Stähle verwendet, die das ausscheidungsfähige Element B in einer größeren Menge enthalten, als der durch den Punkt 6 gekennzeichneten Sättigung entspricht, also z. B. Stähle mit einem durch den Punkt 8 gekennzeichneten Gehalt an ausscheidungsfähigem Element B.
Nach den bisher vorliegenden wissenschaftlichen Untersuchungen liegt der Sättigungspunkt 6 bei Raumtemperatur für das Zweistoffsystem Fe-N bei 0,012 % N, für das Zweistoffsystem Fe-Cu bei o,2 %Cu, für das Zweistoffsystem Fe-P wird er bei 0,05 % P angenommen.
Wenn auch das Element B, das in einer größeren als durch den Punkt 6 gekennzeichneten Menge im Element A gelöst ist, die Fähigkeit hat, sich bei Raumtemperatur auszuscheiden, so ist die Neigung der ausscheidungsfähigen Elemente zur Ausscheidung je nach der Legierung sehr unterschiedlich. Ist die Neigung zur Ausscheidung sehr groß, verläuft die Zustandsänderung bei der Abkühlung nicht nach der Linie 7-8, sondern nach einer Linie, die zwischen den Linien 7-8 und 7-6 liegt und sich mehr oderweniger der Linie 7-6 nähert. Um in einem solchen Falle eine genügende Menge des ausscheidungsfähigen Elementes in Lösung zu erhalten, ist es erforderlich, den Stahl auf eine oberhalb des Punktes 7 liegende z. B. dem Punkt 9 entsprechende Temperatur zu erhöhen, bei der der Bestandteil B sämtlich in Lösung übergeht, und dann schnell abzukühlen, so daß die Zustandsänderung nach der Linie 9-7-8 verläuft. Ist das ausscheidungsfähige Element dagegen ausscheidungsträge, verläuft die Zustandsänderung schon bei der normalen Abkühlungsgeschwindigkeit mehr oder weniger nach der Linie 9-7-8, und es bedarf daher der vorerwähnten nachträglichen Wärmebehandlung nicht. Solche Legierungen haben dann aber auch den Nachteil, daß sie unter einer lang andauernden statisch-elastischen Spannung das über den Sättigungsgrad hinaus enthaltene ausscheidungsfähige Element zu langsam ausscheiden und daher der Stahl nicht schnell genug kriechfest wird. Dieser Nachteil wird gemäß der Erfindung dadurch behoben, daß solche ausscheidungsträgen Stähle vor ihrer Verwendung einer Kaltverformung unterworfen werden. Durch eine solche Kaltverformung wird die Ausscheidung des ausscheidungsfähigen Elementes, soweit sein Gehalt den Sättigungsgrad übersteigt, bereits ganz oder wenigstens in ausreichendem Umfange herbeigeführt. Die ausscheidungsfähigen Elemente sind im wesentlichen bekannt, und auch der Verlauf ihrer Sättigungskurve ist, wie bereits erwähnt, weitgehend durch die wissenschaftlichen Veröffentlichungen bekanntgeworden. Im übrigen sind die bei einem Stahl, der für den erfindungsgemäßen Zweck verwendet werden soll, vorliegenden Verhältnisse leicht experimentell daraufhin zu untersuchen, ob sie den Erfordernissen, die durch die Erfindung festgestellt worden sind, entsprechen und daher mit Sicherheit für den erfindungsgemäßen Verwendungszweck verwendet werden können.
Während man bisher geglaubt hat, daß für Spannbetoneinlagen und ähnlich liegende Verwendungszwecke, z. B. hochfeste Nietverbindungen, Stähle besonders hoher Festigkeit verwendet werden müßten, hat die vorliegende Erfindung gelehrt, daß es auf die Festigkeit als solche keineswegs ankommt, sondern auf diejenige Festigkeit, bis zu der ein Stahl kriechfest ist. Überraschenderweise hat sich dabei ergeben, daß bisher als minderwertig, d. h. für den vorliegenden Verwendungszweck ungeeignet angesehene Stähle eine besonders hohe Kriechfestigkeit besitzen. So z. B. zeigte ein in vorerwähnter Weise wärmebehandelter Thomasstahl mit einer Zugfestigkeit von 164 kg/mm' und einer Streckgrenze von 152 kg/mm' eine absolute Kriechfestigkeit von 11o kg/mm'.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Die Verwendung eines Stahles, der außer Kohlenstoff noch in einer den Sättigungsgrad bei Raumtemperatur übersteigenden Menge andere Elemente enthält, die bei dieser Gehaltsmenge die Fähigkeit und Neigung besitzen, unter statischen Beanspruchungen bei Raumtemperatur, sobald eine bleibende Dehnung einsetzt, solche Ausscheidungen im Gefüge des Stahles hervorzurufen, die Gleithemmungen erzeugen, als Werkstoff für Spannbetoneinlagen.
2. Verwendung eines im Anspruch 1 gekennzeichneten Stahles, der solche ausscheidungsfähigen Elemente enthält, die eine starke Neigung zur Ausscheidung besitzen, und auf eine Temperatur erhöhter Löslichkeit der ausscheidungsfähigen Elemente erwärmt und anschließend schnell abgekühlt worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung eines im Anspruch 1 gekennzeichneten Stahles, der solche ausscheidungsfähigen Elemente enthält, die eine geringe Neigung zur Ausscheidung besitzen, und kaltverformt worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1. 4.. Die Verwendung eines in Anspruch 1 gekennzeichneten Stahles, der außer Kohlenstoff noch über 0,012 °/o Stickstoff, über o,2 °(o Kupfer, über 0,o5 °/« Phosphor einzeln oder gemischt enthält, für den Zweck nach Anspruch Z. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 545 161; österreichische Patentschriften Nr. 134523, 137301; französische Patentschriften Nr. 680 547, 745 171; französische Zusatzpatentschriften Nr. 36 703, 38276, Zeitschrift »Stahl und Eisen«, 1893, S.275, 276; Zeitschrift »Archiv für das Eisenhüttenwesen«, 1929/30, S. 37o, 655, 1931,732, S. 276, 6o9 bis 611; Zeitschrift »Die Naturwissenschaften«, 1941, S.547 bis 550; Zeitschrift »Beton und Eisen«, 1939, S. 142; Zeitschrift »Das Betonwerk«, 1939, S. 118; Zeitschrift »Beton- und Stahlbetonbau«, 1951, Hefte 7 und 8; »Werkstoffliandbiicli Stahl und Eisen«, 1937, Blatt T, S. 8 ; E. Houdrement: »Einführung in die Sonderstahlkunde«, 1943, S. 88o; »Handbuch der Sonderstahlkunde«, 1956, S. 1400; Normblatt »DIN 4227 «, S. 3.