Fachbuch 128/3 Leseprobe

Beckert ´ Herold
Kompendium
der Schweiûtechnik
Band 3:
Eignung metallischer Werkstoffe
zum Schweiûen
Herausgeber: Behnisch
2., überarbeitete Auflage

Die Deutsche Bibliothek ± CIP-Einheitsaufnahme
Kompendium Schweiûtechnik / [Hrsg.: Behnisch]. - DuÈsseldorf :
(Fachbuchreihe Schweiûtechnik ; Bd. 128)
ISBN 3-87155-204-6
Bd. 3. Eignung metallischer Werkstoffe zum Schweiûen / Beckert ´ Herold. - 2002
ISBN 3-87155-207-0
Fachbuchreihe Schweiûtechnik
Band 128/3
ISBN 3-87155-207-0
Alle Rechte vorbehalten.
f Verlag fuÈr Schweiûen undverwandte Verfahren DVS-Verlag GmbH, DuÈsseldorf ´ 2002
Herstellung: J. F. Ziegler KG, Remscheid
Titelgestaltung: M + V Werbeagentur, Willich

Geleitwort zur 2. Auflage
Als der Verlag sich vor genau fuÈnf Jahren zur Herausgabe eines Kompendiums der Schweiûtechnik
entschloû, tat er dies mit der Feststellung und guten Absicht, die seit vielen Jahren spuÈrbare LiteraturluÈcke
mit einem aktuellen, aber auch preisguÈnstigen Gesamtwerk uÈber Schweiûverfahren,
Schweiûmetallurgie, Werkstoffe undkonstruktive Grundlagen zu schlieûen. Die groûe Nachfrage
nach dem vierbaÈndigen Fundus an umfassendem Wissen und Betriebspraxis hat sich erfreulicherweise
in verhaÈltnismaÈûig kurzer Zeit bestaÈtigt, so daû der Verlag und sein Autorenteam sich um eine
UÈ berarbeitung undErgaÈnzung der vergriffenen Auflage bemuÈhten, die als Neufassung nunmehr in
gewohnter QualitaÈt vorgelegt werden kann.
Der Entwicklungsstand der Schweiûprozesse, die uÈberschaubare Palette schweiûgeeigneter Werkstoffe
sowie die gestalterischen GrundsaÈtze zum Bau von Schweiûkonstruktionen, wie sie in den
fuÈnfziger Jahren dem Studierenden und praktisch taÈtigen Ingenieur zu Studium und BerufsausuÈbung
zur VerfuÈgung standen, rechtfertigten seinerzeit ein ein- bis zweibaÈndiges Fachbuch; fuÈnfzig Jahre
spaÈter hat allein die immense Zunahme der Werkstoffgruppen und ihre technisch und wirtschaftlich
befriedigende Verarbeitung mit einem vielfachen Angebot an FuÈge- undTrennprozessen die Erweiterung
des Buchtextes erforderlich gemacht. DaruÈber hinaus haben jahrzehntelange Erfahrungen und
BewaÈhrungen von vollstaÈndig geschweiûten Konstruktionen zu neuen Bauweisen und deren AusfuÈhrung
bis hin zur automatisierten Fertigung gefuÈhrt.
Auch die Internationalisierung des Regelwerks, der Berechnungsmethoden und der AusfuÈhrungsbestimmungen,
beispielsweise im konstruktiven Ingenieurbau, Schienenfahrzeug- undDruckgeraÈtebau,
verursachten eine thematische Erweiterung und einen didaktischen Aufbau des vorliegenden
Studier- und Nachschlagewerks.
Die jetzige Ausgabe wird sowohl dem technisch-wissenschaftlich orientierten als auch dem in der
Anwendung taÈtigen Leserkreis gerecht. SchwerpunktmaÈûig wollen die logisch gegliederten vier
BaÈnde auf die vielfaÈltigen Fragen nach dem ,,Wie`` eine rasche Antwort in den Wissensbereichen
Schweiûeignung der metallischen Werkstoffe ± Schweiûmetallurgie ± thermische FuÈge- undTrennverfahren
± schweiûgerechte Konstruktion geben. Zur Vertiefung der Materie Schweiûtechnik dienen
die jedem der einzelnen BaÈnde angeschlossenen Literaturstellen aus Wissenschaft, Betriebspraxis
undaktuellem Regelwerk.
Die von der Erstausgabe her bekannten Autoren haben sich auch in dieser Auflage um eine sorgfaÈltige
Anpassung undErweiterung des schweiûtechnischen Wissens bemuÈht. An der UÈ berarbeitung
des Bandes 1 von R. Killing hat Dr.-Ing. U. Killing mitgewirkt. Der von der Autorengemeinschaft
Probst/Heroldin erster Auflage verfaûte Band2 ist nunmehr allein von Herrn Prof. H. Herold
uÈberarbeitet worden; als Nachfolger von Herrn Prof. A. Neumann zeichnet Herr Dipl.-Ing. R.
Neuhoff fuÈr die sorgfaÈltige Betreuung von Band4 verantwortlich.
Allen Autoren, die besonders aufgrund ihrer aktiven paÈdagogischen TaÈtigkeit um die stetigen
VeraÈnderungen und Neuerungen wissen, sei abschlieûend fuÈr ihre Literaturarbeit herzlich gedankt.
DuÈsseldorf, im Sommer 2002
Verlag und Herausgeber

Vorwort zur 2. Auflage
Die Schweiûeignung des Werkstoffes bestimmt im Zusammenhang mit der Schweiûsicherheit der
Konstruktion undder fertigungstechnisch bedingten SchweiûmoÈglichkeit die QualitaÈt einer
Schweiûverbindung. Die seit mehreren Jahrzehnten weltweit gefoÈrderte Forschung zur Schweiûbarkeit
als Resultierende der drei genannten Eigenschaften erbrachte viele wichtige Erkenntnisse, die
heute zur Grundlage der modernen Schweiûtechnik gehoÈren. Um dieses Wissen voll nutzen zu
koÈnnen, muÈssen die ZusammenhaÈnge zwischen Schweiûprozeû undWerkstoffverhalten sowie die
Auswirkung des Schweiûens auf die QualitaÈt unddie Gebrauchseigenschaften geschweiûter Verbindungen
verstaÈndlich gemacht werden. Herr Prof. Dr. M. Beckert hat deshalb schon in den Jahren
1980 und 1985 diese wichtige Thematik geschlossen in einem Fachbuch behandelt, das 1997 im Band
3 ,,Eignung metallischer Werkstoffe zum Schweiûen`` auf den neuesten Stand von Wissenschaft und
Technik gebracht wurde.
Die nunmehr zweite vorliegende UÈ berarbeitung hat nicht nur eine VerstaÈrkung der Autorenschaft
gebracht, sondern eine Aktualisierung des einschlaÈgigen Regelwerks, der Werkstoffbezeichnungen
undSymbole sowie ausgewaÈhlter textlicher Passagen.
Der vorgelegte Banddient als eine EinfuÈhrung in das komplexe Gebiet der schweiûtechnischen
Verarbeitung metallischer Werkstoffe. Ausgehend von den werkstoffkundlichen Grundlagen werden
die Schweiûeignung der wichtigsten metallischen Werkstoffe, ihre PruÈfung undBewertung beschrieben.
Die im Anhang wiedergegebene Fachliteratur bietet die MoÈglichkeit zur Vertiefung des
hier vermittelten Wissensstoffes.
Den Mitarbeitern des Instituts fuÈrFuÈge- undStrahltechnik der Otto-von-Guericke-UniversitaÈt Magdeburg,
Frau Dipl.-Ing. M. Streitenberger, Frau Dr.-Ing. M. Zinke, Herrn Prof. W. Irmer, Herrn Dr.-
Ing. J. Pieschel undHerrn Dr.-Ing. S. Zahariev sei dabei fuÈr die UnterstuÈtzung bei der UÈ berarbeitung
gedankt. Frau Ch. Stiehl vom gleichen Institut hat es dankenswerterweise uÈbernommen, die gesamte
technische Vorbereitung der UÈ berarbeitung zu begleiten.
Magdeburg, im Sommer 2002
M. Beckert und H. Herold

1 EinfuÈhrung
1.1 Schweiûbarkeit ± Schweiûeignung, Schweiûsicherheit und SchweiûmoÈglichkeit
Viele metallische undnichtmetallische Werkstoffe werden heute geschweiût. Die moderne
Schweiûtechnik bietet leistungsfaÈhige, auf die Werkstoffeigenschaften und die konstruktiven Belange
abgestimmte Schweiûtechnologien.
Die Schweiûbarkeit ist ein Komplex von werkstofflichen, konstruktiven undfertigungstechnischen
Komponenten. Sie ist gegeben, wenn durch einen Schweiûprozeû eine Konstruktion aus einem
metallischen Werkstoff so hergestellt werden kann, daû sie alle betrieblichen Anforderungen ohne
SchaÈdigungen erfuÈllt, siehe DIN 8528-1. Die Schweiûbarkeit haÈngt also von den Eigenschaften des
Werkstoffs, von den Bedingungen der schweiûtechnischen Fertigung, von der Lage und der konstruktiven
Gestaltung der Schweiûverbindungen in der Konstruktion ab. ZweckmaÈûig ist deshalb die
Unterteilung in die drei komplexen EinfluûgroÈûen Schweiûeignung, Schweiûsicherheit und
SchweiûmoÈglichkeit, Bild1-1.
Bild 1-1. Schweiûbarkeit undihre Einfluûkomplexe
Schweiûeignung, Schweiûsicherheit undSchweiûmoÈglichkeit.
Die Schweiûeignung ist die werkstoffliche Voraussetzung, um durch einen Schweiûprozeû stoffschluÈssige
Verbindungen herzustellen, die geforderten Eigenschaften und Festigkeitswerten genuÈgen.
Die Schweiûeignung eines Werkstoffs ist um so besser, je weniger zusaÈtzliche fertigungstechnische
und konstruktive Maûnahmen notwendig sind, um eine einwandfreie Schweiûverbindung zu
erhalten. Keine Schweiûeignung liegt vor, wenn es bei einem (wirtschaftlich) vertretbaren fertigungstechnischen
Aufwandnicht gelingt, eine von groben Fehlern freie Schweiûverbindung mit
bestimmten mechanischen Mindestwerten herzustellen. Die Schweiûeignung eines metallischen
Werkstoffs wird durch seine chemische Zusammensetzung (reines Metall oder Legierung, Begleitelemente),
seine metallurgische Erzeugung (Seigerungen, Verunreinigungen, EinschluÈsse) und
durch seinen strukturellen Aufbau (Gitterstruktur, GefuÈge) bestimmt.
Allgemein wirdzwischen Kaltpreû-, Warmpreû- undSchmelzschweiûprozessen unterschieden. Die
jeweils erforderlichen werkstofflichen Voraussetzungen, um ein befriedigendes Schweiûergebnis zu
1

erreichen, sind unterschiedlich. Deshalb ist die Angabe, daû ein bestimmter metallischer Werkstoff
schweiûgeeignet sei, unvollstaÈndig, wenn die Verfahrensgruppe oder der Schweiûprozeû nicht mit
genannt werden, fuÈr deren Anwendung dies zutrifft. Bei Angaben zur Schweiûeignung von StaÈhlen
ist in aller Regel die Eignung fuÈr das Schmelzschweiûen gemeint.
Die Schweiûsicherheit eines Bauteils oder eines Bauwerks wird von der Lage und Gestaltung der
Schweiûverbindungen in der Konstruktion bestimmt. Sie ist gegeben, wenn alle betriebsbedingten
Beanspruchungen ohne funktionsstoÈrende SchaÈdigungen ertragen werden. Die Schweiûsicherheit
wird im Kontext der schweiûgerechten Gestaltung einer Konstruktion mit der Art und dem Umfang
der betrieblichen Beanspruchungen bestimmt. Die Schweiûeignung und die SchweiûmoÈglichkeit
beeinflussen die Schweiûsicherheit. Deshalb ist es moÈglich, durch geeignete Werkstoffauswahl und
fertigungstechnische Maûnahmen die Schweiûsicherheit zu erhoÈhen.
Anmerkung: Das in der Vergangenheit gehaÈufte Auftreten von SproÈdbruÈchen an groûen geschweiûten
Konstruktionen, wie BruÈcken, Schiffen undanderen Stahlbauten, veranlaûte
umfangreiche Untersuchungen. Mit dem zunehmenden Einsatz von hoÈherfesten
StaÈhlen wurden der SproÈdbruch, seine Ursachen und die MoÈglichkeiten, ihn zu verhindern,
weltweit zum zentralen Forschungsthema. Die groûe Bedeutung des SproÈdbruchs
fuÈhrte dazu, daû man unter Schweiûsicherheit vorrangig das Verhalten geschweiûter
Stahlkonstruktionen gegen sproÈde BruÈche verstand. Schweiûsicherheit
umfaûte im weiteren Sinn die Sicherheit einer Schweiûkonstruktion, unter vorgegebenen
Betriebsbedingungen fuÈr die Betriebsdauer funktionsfaÈhig zu bleiben.
Die dritte komplexe EigenschaftsgroÈûe, die zur Schweiûbarkeit zaÈhlt, ist die SchweiûmoÈglichkeit.
Sie beschreibt den Einfluû der Fertigung vor, waÈhrend und nach dem Schweiûen. Sie ist vorhanden,
wenn ein werkstoff- undkonstruktionsmaÈûig vorgegebenes technisches Gebilde beanspruchungsundfunktionsgerecht
geschweiût werden kann. Zur SchweiûmoÈglichkeit zaÈhlen alle technischen
Parameter und technologischen Bedingungen des schweiûtechnischen Fertigungsprozesses.
1.2 PruÈfung der Schweiûbarkeit
Die Schweiûbarkeit ist eine komplexe GroÈûe, die sich nicht messen und zahlenmaÈûig erfassen laÈût.
Deshalb kann es auch kein universelles PruÈfverfahren zur Feststellung der Schweiûbarkeit geben. Bei
den in der Literatur angegebenen SchweiûbarkeitspruÈfungen handelt es sich in der Regel um
SchweiûeignungspruÈfungen.
1.2.1 PruÈfung der Schweiûeignung
Um Aussagen uÈber die Schweiûeignung eines metallischen Werkstoffs zu erhalten, muû der Einfluû
des Schweiûens auf die Eigenschaften untersucht und erfaût werden. Die Anwendung eines einzigen
PruÈfverfahrens erlaubt in der Regel noch keine ausreichende Beurteilung der Schweiûeignung eines
Werkstoffs. DafuÈr sinddie Ergebnisse mehrerer sich ergaÈnzender PruÈfungen heranzuziehen. FuÈrden
Nachweis einer ausreichenden Schweiûeignung sind fuÈr das jeweils angewandte PruÈfverfahren
bestimmte Kriterien oder Zahlenwerte festgelegt. Die Schweiûeignung wird von den Forderungen,
die an die Schweiûsicherheit gestellt werden, und von den MoÈglichkeiten der schweiûtechnischen
Fertigung (SchweiûmoÈglichkeit) beeinfluût. Die Beziehungen zwischen SchweiûmoÈglichkeit und
Schweiûeignung ermoÈglichen es, die Bedingungen des Schweiûprozesses so zu gestalten, daû auch
bei schlechteren werkstofflichen Voraussetzungen ein befriedigendes Schweiûergebnis erreicht
werden kann. Allgemein gilt, daû eine technologisch und oÈkonomisch optimale Gestaltung
schweiûtechnischer Fertigungsprozesse die Ergebnisse von SchweiûeignungspruÈfungen erfordert.
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1.2.2 PruÈfung der Schweiûsicherheit
PruÈfungen der Schweiûsicherheit sollen Aussagen uÈber das voraussichtliche Verhalten geschweiûter
Gebilde im Betrieb ergeben. Man will feststellen, ob die Anordnung und Gestaltung der SchweiûnaÈhte
in einer Konstruktion eine hinreichende Sicherheit gegen die betrieblichen Beanspruchungen
fuÈr die Dauer des Einsatzes gewaÈhrleisten. AÈ hnlich wie bei der Schweiûeignung reicht auch fuÈrdie
Untersuchung der Schweiûsicherheit ein einzelnes PruÈfverfahren in der Regel nicht aus. Am aussagefaÈhigsten
sindaufwendige BauteilpruÈfungen.
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2 Schweiûeignung der unlegierten und anderen legierten StaÈhle
2.1 Werkstoffgrundlagen
2.1.1 Einteilung der StaÈhle
Die am haÈufigsten verwendeten metallischen Konstruktionswerkstoffe sind die StaÈhle. Zu ihnen
gehoÈren alle Eisenwerkstoffe mit Kohlenstoffgehalten bis maximal 2 %. Die Eigenschaften der
StaÈhle lassen sich durch die chemische Zusammensetzung und durch WaÈrmebehandlungen in weiten
Grenzen veraÈndern. Diese Feststellung gilt auch fuÈr die Schweiûeignung.
In der Stahlmetallurgie vollzogen sich in den letzten Jahrzehnten bedeutende VeraÈnderungen. WaÈhrend
in den sechziger Jahren das Siemens-Martin-Verfahren in der Stahlerzeugung dominierte und
auch das Thomas-Verfahren noch eine gewisse Rolle spielte, wird heute nahezu aller Stahl im
Elektroofen und nach dem Sauerstoff-Blas-Verfahren erzeugt. Beim heutigen Stand der Stahlmetallurgie
besteht kein gravierender Einfluû des Erschmelzungsverfahrens auf die Schweiûeignung.
Abgesehen von einigen wenigen Ausnahmen bleibt daher die Wahl des Erschmelzungsverfahrens
dem Stahlhersteller uÈberlassen.
Man unterscheidet nach der Vergieûungsart zwischen unberuhigten, halbberuhigten und vollberuhigten
StaÈhlen. Als Beruhigen oder Desoxidieren bezeichnet man das Entfernen des in der
Stahlschmelze geloÈsten Sauerstoffs durch die Zugabe von Elementen, die eine staÈrkere chemische
AffinitaÈt zum Sauerstoff haben als Eisen. Die hauptsaÈchlichen Desoxidationselemente in der Stahlmetallurgie
sindMangan, Silizium undAluminium. Wirdeine Stahlschmelze ohne die Zugabe von
Desoxidationsmitteln in einer Kokille vergossen, dann reagiert der beim Erstarren ausscheidende
Sauerstoff mit dem im Schmelzbad befindlichen Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid. Die Reaktionen
und das Aufsteigen der mit Kohlenmonoxid gefuÈllten Gasblasen verlaufen unter heftigem Aufwallen
der Schmelze. Drei Merkmale sind kennzeichnend fuÈr einen unberuhigt vergossenen Stahlblock:
± seine von Verunreinigungen weitgehendfreie Auûenschicht, die Speckschicht,
± eine starke Blockseigerung mit hoÈheren Phosphor- undSchwefelgehalten,
± ein einfacher oder doppelter Blasenkranz aus den im Stahl verbliebenen Gasblasen, Bild 2-1a.
Beim nachtraÈglichen Warmverformen des Blocks verschweiûen die von den Gasblasen gebildeten
HohlraÈume. Ein beruhigt vergossener Stahlblock weist dagegen keinen Blasenkranz und keine
Seigerungen auf, aber einen Kopflunker, der vor der weiteren Verarbeitung durch AbschoÈpfen
entfernt werden muû, Bild 2-1b.
Die Einteilung der StaÈhle kann nach verschiedenen Gesichtspunkten vorgenommen werden. Neben
Einteilungen nach Erzeugungsverfahren und der Vergieûungsart lassen sich die StaÈhle nach dem
Verwendungszweck zum Beispiel in BaustaÈhle undWerkzeugstaÈhle unterscheiden. Andere Einteilungskriterien
beziehen sich auf die moÈgliche Weiterbehandlung oder -verarbeitung, beispielsweise
Einsatz- undVerguÈtungsstaÈhle oder NitrierstaÈhle, ferner auf die AusfuÈhrungsform wie Breitflach-,
Band- und Rohrstahl oder auf kennzeichnende Legierungselemente, zum Beispiel Chrom-Nickel-
StaÈhle undWolfram-StaÈhle.
FuÈr Aussagen zur Schweiûeignung haben Angaben der chemischen Zusammensetzung, des GuÈteund
Behandlungszustandes vorrangige Bedeutung.
Die DIN EN 10020 unterscheidet heute bei der Definition 3 Klassen von StaÈhlen: unlegierte StaÈhle,
nichtrostende StaÈhle undandere legierte StaÈhle.
Zur Einteilung nach der chemischen Zusammensetzung heiût es, daû von den in der Norm oder in den
Lieferbedingungen vorgeschriebenen Mindestgehalten auszugehen ist. Ein Stahl gilt als unlegiert,
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Bild 2-1. Gasblasenanordnung in einem
unberuhigt vergossenen Stahlblock.
Die Seigerung von C, S undP in
unberuhigt (a) undberuhigt (b) vergossenen
StahlbloÈcken, ausgedruÈckt
im prozentualen VerhaÈltnis des jeweils
festgestellten Analysenwertes zur
Schmelzenanalyse nach Erdmann-Jesnitzer.
wenn die in Tabelle 2-1 angegebenen Gehalte der einzelnen Elemente nicht uÈberschritten werden. Ein
Stahl gilt als legiert, wenn der angegebene Grenzgehalt eines Legierungselementes erreicht oder
uÈberschritten wird. Die unlegierten und anderen legierten StaÈhle werden nach HauptguÈteklassen
eingeteilt.
Tabelle 2-1. Grenzen zwischen unlegierten und legierten StaÈhlen (Schmelzenanalyse).
Festgelegtes Element
Grenzwert
Massenanteil in %
Festgelegtes Element
Grenzwert
Massenanteil in %
Al Aluminium 0,30 Se Selen 0,10
B Bor 0,0008 Si Silicium 0,60
Bi Bismuth 0,10 Te Tellur 0,10
Co Kobalt 0,30 Ti Titan 0,05
Cr Chrom 0,30 V Vanadin 0,10
Cu Kupfer 0,40 W Wolfram 0,30
La Lanthanide (einzeln gewertet) 0,10 Zr Zirkon 0,05
Mn Mangan 1,65 1) Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff,
Mo MolybdaÈn 0,08
Phosphor, Schwefel, Stickstoff)
Nb Niob 0,06
(jeweils) 0,10
Ni Nickel 0,30
Pb Blei 0,40
1 ) Falls fuÈr Mangan nur ein HoÈchstwert festgelegt ist, ist der Grenzwert 1,80 % und die 70 %-Regel gilt nicht.
HauptguÈteklassen der unlegierten StaÈhle:
± Unlegierte QualitaÈtsstaÈhle:
Hierzu zaÈhlen Stahlsorten, fuÈr die im allgemeinen Anforderungen bezuÈglich beispielsweise der
BruchzaÈhigkeit, KorngroÈûe und/oder Umformbarkeit bestehen, ohne daû uÈber die Tabelle 2-1
hinaus Forderungen bezuÈglich des Reinheitsgrades festgelegt werden.
± Unlegierte EdelstaÈhle:
Hierzu zaÈhlen Stahlsorten, die, verglichen mit den QualitaÈtsstaÈhlen, einen hoÈheren Reinheitsgrad
hinsichtlich nichtmetallischer EinschluÈsse haben. Der HoÈchstgehalt an Phosphor (P) plus Schwefel
(S) bleibt hier auf maximal 0,020 % in der Schmelzenanalyse beschraÈnkt. Sie sindmeist fuÈr eine
VerguÈtung oder OberflaÈchenhaÈrtung bestimmt, auf die sie gleichmaÈûig ansprechen. Durch genaue
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Einstellung der chemischen Zusammensetzung und durch besondere Herstellungs- und PruÈfbedingungen
werden sehr unterschiedliche Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften erreicht,
zum Beispiel eng begrenzte Festigkeit oder HaÈrtbarkeit, gute Verformbarkeit undSchweiûeignung.
HauptguÈteklassen der anderen legierten StaÈhle:
± Legierte QualitaÈtsstaÈhle:
Die hier erfaûten StaÈhle sindfuÈr aÈhnliche Verwendungen wie die unlegierten QualitaÈtsstaÈhle
vorgesehen. Durch ihren Gehalt an Legierungselementen genuÈgen sie besonderen Anwendungsbedingungen.
Sie sind aber im allgemeinen nicht fuÈr eine VerguÈtung oder OberflaÈchenhaÈrtung
bestimmt. Zu den legierten QualitaÈtsstaÈhlen zaÈhlen fuÈr den Stahlbau einschlieûlich des DruckbehaÈlter-
undRohrleitungsbaus bestimmte schweiûgeeignete FeinkornbaustaÈhle mit Mindestwerten
der Streckgrenze von 380 N/mm 2 (bis Dicken von 16 mm) undeiner Kerbschlagarbeit von ISO-
V-LaÈngsproben bei ±50 C von 27 J. Weiterhin gehoÈren hierzu nur silizium- oder silizium- und
aluminiumlegierte StaÈhle mit bestimmten magnetischen Eigenschaften, legierte StaÈhle fuÈr Schienen,
fuÈr warm- oder kaltgewalzte Flacherzeugnisse, die fuÈr schwierigere Kaltumformarbeiten
bestimmt sind und die kornfeinenden Elemente wie Bor, Niob, Titan, Vanadin und/oder Zirkonium
enthalten, sowie die DualphasenstaÈhle, die in kleinen vereinzelten FlaÈchen 10-35 % Martensit in
dem hauptsaÈchlich ferritischen MikrogefuÈge haben, sowie StaÈhle, die nur kupferlegiert sind.
± Legierte EdelstaÈhle:
Hier werden die StaÈhle erfaût, die durch eine genaue Einstellung der chemischen Zusammensetzung
unddurch Herstellungs- undPruÈfbedingungen die unterschiedlichsten Verarbeitungs- und
Gebrauchseigenschaften erhalten haben. Es werden drei Untergruppen unterschieden:
± nichtrostende StaÈhle auf Chrom- undNickelbasis,
± SchnellarbeitsstaÈhle mit MolybdaÈn, Wolfram und/oder Vanadin mit einem Gesamtgehalt von
7%,
± sonstige legierte EdelstaÈhle.
2.1.2 Bezeichnung der StaÈhle
2.1.2.1 EuropaÈisches Bezeichnungssystem mit Kurznamen
Die Bezeichnung der StaÈhle durch Kurznamen erfolgt in den europaÈischen Normen einheitlich durch
ein Hauptsymbol nach DIN EN 10027-1 undein Zusatzsymbol (Anmerkung: DIN V 17006-100 liegt
als Vornorm vor). Es gibt zwei Arten von Kurznamen, die mit Hinweisen auf die Verwendung und die
nach der chemischen Zusammensetzung.
Die Kurznamen mit Hinweisen auf die Verwendung und die mechanischen oder physikalischen
Eigenschaften beginnen mit einem Hauptsymbol des hauptsaÈchlichen Einsatzgebietes.
S = StaÈhle fuÈr den allgemeinen Stahlbau
P = StaÈhle fuÈr den DruckbehaÈlterbau
L = StaÈhle fuÈr den Rohrleitungsbau
E = MaschinenbaustaÈhle
B = BetonstaÈhle
Y = SpannstaÈhle 1)
R = StaÈhle fuÈr oder in Form von Schienen 1)
H = kaltgewalzte Flacherzeugnisse in hoÈherfesten ZiehguÈten 2)
D = Flacherzeugnisse aus weichen StaÈhlen zum Kaltumformen 2)
T = Feinst- undWeichblech und-bandsowie spezialverchromtes Blech undBand 2)
M = Elektroblech 2)
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Eine dem Hauptsymbol nachfolgende Zahl entspricht in der Regel dem Mindestwert der Streckgrenze
R e in N/mm 2 fuÈr die kleinste Erzeugnisdicke. Bei den mit 1) gekennzeichneten Bezeichnungen
gibt die Zahl nach dem Hauptsymbol die Zugfestigkeit an oder weist mit einem weiteren
Kennbuchstaben bei 2) auf besondere Behandlungsarten hin. Die dem Mindestwert der Streckgrenze
folgenden Zusatzsymbole unterteilen sich in zwei Gruppen. Die zur ersten Gruppe gehoÈrenden
Symbole betreffen den Behandlungszustand nach DIN V 17006-100:
M = thermomechanisch gewalzt
N = normalgegluÈht oder normalisierend gewalzt
Q = verguÈtet,
G = andere GuÈten, wenn erforderlich mit 1 oder 2 Ziffern
B = Gasflaschen
S = einfache DruckbehaÈlter
T = Rohre
Die zweite Gruppe von Zusatzsymbolen gibt entweder entsprechend der nachstehenden Aufstellung
eine bestimmte Kerbschlagarbeit an:
Kerbschlagarbeit PruÈftemperatur
27 J 40 J 60 J C
JR KR LR +20
J0 K0 L0 0
J2 K2 L2 ±20
J3 K3 L3 ±30
J4 K4 L4 ±40
J5 K5 L5 ±50
J6 K6 L6 ±60
oder kennzeichnet bestimmte andere Eigenschaften (Auswahl):
H = Hochtemperatur
L = Tieftemperatur
R = Raumtemperatur
X = Hoch- undTieftemperatur
Nachstehendfolgen einige Beispiele zur Benennung:
S355NL ist die Bezeichnung fuÈr einen Baustahl mit einer Streckgrenze von 355 N/mm 2 im normalgegluÈhten
Zustand, der sich fuÈr einen Einsatz im Stahlbau bei tiefen Temperaturen eignet.
S355JR ist die Bezeichnung fuÈr einen Baustahl, dessen Streckgrenze 355 N/mm 2 betraÈgt undder bei
20 C eine Mindestkerbschlagarbeit von 27 J hat.
E295 ist die Bezeichnung fuÈr einen Maschinenbaustahl mit einer Mindeststreckgrenze von 295 N/
mm 2 .
P355NH ist die Bezeichnung fuÈr einen normalgegluÈhten DruckbehaÈlterstahl mit einer Streckgrenze
von 355 N/mm 2 , der fuÈr den Hochtemperatureinsatz geeignet ist.
Bei den Kurznamen nach der chemischen Zusammensetzung werden vier Gruppen unterschieden:
± unlegierte StaÈhle mit einem mittleren Mangangehalt a 1 % (ausgenommen AutomatenstaÈhle);
± unlegierte StaÈhle mit einem mittleren Mangangehalt A 1 %, unlegierte AutomatenstaÈhle und
legierte StaÈhle (auûer SchnellarbeitsstaÈhlen) mit Gehalten der einzelnen Legierungselemente
unter 5 Gewichtsprozent;
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± legierte StaÈhle (auûer SchnellarbeitsstaÈhlen), wenn mindestens der Gehalt eines Legierungselementes
A 5 % ist;
± SchnellarbeitsstaÈhle.
Bei unlegierten StaÈhlen besteht der Kurzname aus dem Grundsymbol C fuÈr Kohlenstoff undeiner
Zahl, die, durch 100 dividiert, dem Kohlenstoffgehalt in Prozent entspricht.
Bei legierten StaÈhlen mit Gehalten der einzelnen Legierungselemente bis 5 % bildet eine Zahl den
Anfang des Kurznamens, die, durch 100 dividiert, dem Kohlenstoffgehalt entspricht, gefolgt von den
chemischen Zeichen der Legierungselemente und Zahlen, die sich durch Multiplikation mit 4, 10,
100 oder 1000 aus den jeweiligen Legierungsgehalten ergeben. Die Multiplikatoren sind:
4 fuÈr Cr, Co, Mn, Ni, Si, W;
10 fuÈr Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr;
100 fuÈr Ce, N, P, S;
1000 fuÈrB.
Legierte StaÈhle, bei denen mindestens der Gehalt eines Legierungselements uÈber 5 % liegt, erhalten
ein vorangestelltes Symbol X, gefolgt von einer Zahl, die dem 100fachen Gehalt an Kohlenstoff
entspricht, und den chemischen Symbolen der Legierungselemente und Zahlen der Legierungsgehalte.
SchnellarbeitsstaÈhle werden mit HS und den Gehalten an W, Mo, V und Co in der gegebenen
Reihenfolge bezeichnet.
Beispiele fuÈr die Kurznamen nach der chemischen Zusammensetzung sind:
C45E ist die Bezeichnung fuÈr einen unlegierten Stahl mit 0,45 % Kohlenstoff undeinem vorgeschriebenen
maximalen S-Gehalt. Auch andere Zusatzsymbole koÈnnen nachgestellt sein.
10CrMo9-10 ist die Bezeichnung fuÈr einen legierten Stahl mit 0,10 % Kohlenstoff, 2,2 % Chrom und
1 % MolybdaÈn.
19Mn5 ist die Bezeichnung fuÈr einen legierten Stahl mit 0,19 % Kohlenstoff und1,25 % Mangan.
X5CrNi18-8 ist die Bezeichnung fuÈr einen hochlegierten Stahl mit 0,05 % Kohlenstoff, 18 % Chrom
und8 % Nickel.
HS6-5-2-5 ist die Bezeichnung fuÈr einen Schnellarbeitsstahl mit 6 % Wolfram, 5 % MolybdaÈn, 2%
Vanadin und 5 % Kobalt.
2.1.2.2 Nummernsystem
Die Bezeichnung der StaÈhle mit Werkstoffnummern ist in DIN EN 10027-2 festgelegt. Diese
bestehen aus der Werkstoffhauptgruppennummer, einer zweistelligen Stahlgruppennummer und
einer ebenfalls zweistelligen ZaÈhlnummer, die sich auf die StahlqualitaÈt bezieht. Es koÈnnen AnhaÈngeziffern
folgen, die auf die Erschmelzungsart und den Behandlungszustand hinweisen.
Die Werkstoffhauptgruppennummern sind:
0 = Roheisen,
1 = Stahl,
2 = Schwermetalle,
3 = Leichtmetalle,
4 bis 8 = nichtmetallische Werkstoffe.
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Die Stahlgruppennummern sind:
00 und90 = unlegierte GrundstaÈhle,
01 bis 07 und91 bis 97 = unlegierte QualitaÈtsstaÈhle,
10 bis 19 = unlegierte EdelstaÈhle,
08 bis 09 und98 bis 99 = legierte QualitaÈtsstaÈhle,
20 bis 89 = legierte EdelstaÈhle.
2.1.2.3 Historische Kurznamen der deutschen StaÈhle
Im DIN-Normenheft 3 waren Kurznamen der StaÈhle angegeben, die vor Inkrafttreten der DIN EN
10027-1 und -2 verwendet wurden. Man unterschied auch hier Kurznamen zur Beschreibung der
chemischen Zusammensetzung undKurznamen zur Beschreibung mechanischer Eigenschaften. Die
Kurznamen zur Beschreibung der chemischen Zusammensetzung entsprachen bis auf geringe Unterschiede
denjenigen, die im vorangegangenen Abschnitt nach DIN EN 10027 behandelt wurden,
und werden deshalb hier nicht weiter aufgefuÈhrt.
Der vollstaÈndige Kurzname der BaustaÈhle nach DIN 17100 bestand aus dem Kennbuchstaben St, der
Kennzahl fuÈr die Zugfestigkeit und der Kennziffer fuÈr die GuÈtegruppe. Man unterschieddrei GuÈtegruppen:
GuÈtegruppe 1 = keine PruÈfung,
GuÈtegruppe 2 = garantierte Kerbschlagarbeit A v von 28 J bei 0 C,
GuÈtegruppe 3 = garantierte Kerbschlagarbeit A v von 28 J bei 0 C.
Dem Symbol St wurde bei unberuhigtem Stahl ein U, bei beruhigtem ein R und bei sonderberuhigtem
ein RR vorweggestellt.
Beispiele fuÈr die Kurznamen nach den mechanischen Eigenschaften waren:
St 44-2 war der Kurzname eines Stahls mit einer Mindestzugfestigkeit von 430 N/mm 2 der GuÈtegruppe
2.
RSt 37-3 war der Kurzname eines beruhigten Stahls mit einer Zugfestigkeit von 360 N/mm 2 der
GuÈtegruppe 3.
Bei den FeinkornbaustaÈhlen nach DIN 17102 wurde dem Symbol St der Kennbuchstabe E zugefuÈgt
und die Angabe der Streckgrenze in N/mm 2 .
StE 285 war die Bezeichnung eines Feinkornbaustahls mit einer Streckgrenze von 285 N/mm 2 .
2.1.3 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
2.1.3.1 Reineisen
Eisen ist das Grundmetall fuÈr die wichtigsten technischen Legierungen, die StaÈhle. Reines Eisen ist
weich, die Zugfestigkeit betraÈgt etwa 200 N/mm 2 und die Bruchdehnung etwa 60 %. In der AbkuÈhlkurve
von reinem Eisen treten mehrere Haltepunkte auf, Bild2-2. Ein ausgepraÈgter Haltepunkt
erscheint bei 1536 C, dem Schmelzpunkt des Eisens. (AbhaÈngig vom Reinheitsgraddes Eisens wird
der Schmelzpunkt mit 1528 bis 1541 C angegeben.) Hier wirddie KristallisationswaÈrme von etwa
270 J/g Fe frei. Erst nach dem Erstarren der gesamten Eisenschmelze sinkt die Temperatur weiter. Bei
1392 C tritt ein zweiter Haltepunkt auf. Hier wird das kubischraumzentrierte Kristallgitter des
Deltaferrits (d-Fe) unter WaÈrmeabgabe von etwa 10,5 J/g Fe in das kubischflaÈchenzentrierte Kristallgitter
des Austenits oder Gammaeisens (g-Fe) umgewandelt. Bei weiterem AbkuÈhlen findet man
bei 900 C erneut einen Haltepunkt. Bei dieser Temperatur wandelt sich der Austenit in Alphaeisen
(a-Fe) um, das wiederum ein kubischraumzentriertes Kristallgitter aufweist. Bei einer Temperatur
von 769 C tritt eine geringe Unstetigkeit im AbkuÈhlverlauf auf. Unterhalb dieser Temperatur, die
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Bild 2-2. AbkuÈhlungs- undErhitzungskurven
von reinem Eisen.
Bild 2-3. Kubischraumzentrierte (krz) Elementarzelle
von a-Fe, kubischflaÈchenzentrierte (kfz)
Elementarzelle von g-Fe.
Curiepunkt heiût, wird das bis dahin unmagnetische Eisen magnetisch, Bild 2-3. Die Erhitzungskurve
von reinem Eisen weist im wesentlichen die gleichen Umwandlungstemperaturen auf, nur der
Haltepunkt bei 900 C ist auf 915 C angehoben.
Die Haltepunkte werden mit aufsteigender Temperatur mit A 2 ,A 3 undA 4 bezeichnet; A ist die
AbkuÈrzung des franzoÈsischen Wortes arreÁt = Haltepunkt. Die Haltepunkte auf der AbkuÈhlungskurve
erhalten zusaÈtzlich den Index r, der sich von refroidissement = AbkuÈhlung ableitet. Diejenigen der
Erhitzungskurve erhalten den Index c, abgeleitet von chauffage = ErwaÈrmung. Die Unterscheidung
zwischen der Lage der Haltepunkte beim Erhitzen und AbkuÈhlen ist erforderlich, weil die einzelnen
Umwandlungstemperaturen, vor allem bei legierten StaÈhlen, von der Erhitzungs- beziehungsweise
der AbkuÈhlgeschwindigkeit abhaÈngen. Der Unterschiedzwischen der A c - undder A r -Temperatur
wirdHysterese genannt. Diese betraÈgt zwischen A c3 undA r3 15 C.
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2.1.3.2 Eisen und Kohlenstoff
Eine wesentliche Gemeinsamkeit aller unlegierten undniedriglegierten StaÈhle ist, daû sie auûer
Begleit- undLegierungselementen Kohlenstoff enthalten. Der Kohlenstoff bestimmt maûgeblich die
Eigenschaften eines Stahls. Technisch interessant sindEisenlegierungen, die bis etwa 5 % Kohlenstoff
enthalten. In Eisenschmelzen ist der Kohlenstoff geloÈst. Das Erstarrungs- undUmwandlungsverhalten
kohlenstoffhaltigen Eisens unterscheidet sich von dem des reinen Eisens. Die Temperaturen
der Haltepunkte sinken und erweitern sich zu Temperaturbereichen. Die VerhaÈltnisse werden
durch das stabile System Eisen ± Graphit, bei dem der Kohlenstoff elementar als Graphit auftritt, und
das metastabile System, bei dem der Kohlenstoff in Form von Zementit Fe 3 C vorliegt, beschrieben.
Graphit undZementit koÈnnen auch nebeneinander auftreten. Die Umwandlungen laufen teils nach
dem metastabilen und teils nach dem stabilen System ab. Es gibt drei wesentliche EinfluûgroÈûen, die
bestimmen, ob der Kohlenstoff bevorzugt als Graphit oder als Zementit vorliegt. Es sind dies:
± AbkuÈhl- bzw. Erstarrungsgeschwindigkeit einer Eisenschmelze mit geloÈstem Kohlenstoff. Langsame
AbkuÈhlung beguÈnstigt die Graphitausscheidung, schnelle die Zementitbildung.
± Kohlenstoffgehalt: Hoher Kohlenstoffgehalt (Guûeisen) foÈrdert die Graphitbildung, niedriger
(Stahl) die Zementitbildung.
± Silizium- undMangangehalt: Bei hoÈheren Kohlenstoffgehalten (Guûeisen) beguÈnstigt Silizium
die Graphitbildung, Mangan die Zementitbildung.
Es ist uÈblich, beide Systeme in einem Doppeldiagramm, dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD),
zusammenzufassen. Im EKD nach Bild 2-4 entsprechen die durchgezogenen Linien dem System
Eisen ± Zementit und die unterbrochenen dem System Eisen ± Graphit. FuÈr StaÈhle gilt das erstgenannte
System. Die uÈblichen Guûeisenarten enthalten einen groûen Anteil des Kohlenstoffs als
Graphit.
Bild 2-4. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD):
±±±±± = stabiles System Eisen ± Graphit,
______ = metastabiles System Eisen ± Zementit.
Das EKD informiert in AbhaÈngigkeit vom Kohlenstoffgehalt undvon der Temperatur uÈber jeweilige
GefuÈgezustaÈnde, wenn entsprechend erwaÈrmt undabgekuÈhlt wurde. Es gilt nur unter den Bedingungen,
die einen metastabilen (oder einen stabilen) Gleichgewichtszustand gewaÈhrleisten. Wirdeine
Eisen-Kohlenstoff-Legierung von hohen Temperaturen zu schnell abgekuÈhlt, dann stellen sich, je
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