Wärmebehandlung des Stahls - Europa-Lehrmittel

Wärmebehandlung des Stahls - 10. Auflage, Europa-Nr. 13039
Lösungen zur Aufgabensammlung / Prof. Dr.-Ing. V. Läpple
Lösung zu Aufgabe 5.1
Lösungen zu Kapitel 5
Glühverfahren 1. Art: Werkstoffunabhängige Glühverfahren.
Beispiel: Spannungsarmglühen.
Glühverfahren 2. Art: Werkstoffabhängige Glühverfahren.
Beispiel: Normalglühen von Stählen.
Lösung zu Aufgabe 5.2
a) Zur Schaffung von Oberflächen (z. B. Korngrenzen) muss Energie aufgewendet werden. Ein grobkörniges Gefüge
hat, im Vergleich zu einem feinkörnigen Gefüge, bei gleichem Volumen eine geringere Gesamtoberfläche der Körner.
Dementsprechend ist die Oberflächenenergie des grobkörnigen Gefüges geringer, im Vergleich zu einem Gefüge mit
feinem Korn. Da jeder Körper bestrebt ist, einen möglichst energiearmen Zustand einzunehmen, ist die treibende
Kraft für ein Kornwachstum in der damit verbundenen Verminderung der Oberflächenenergie begründet. Unter der
Voraussetzung einer ausreichenden diffusionsgestützten Beweglichkeit der Metall-Ionen, d. h. bei ausreichend hoher
Temperatur, wird daher stets ein mehr oder weniger ausgeprägtes Kornwachstum in metallischen Werkstoffen stattfinden.
b) Eine Grobkornbildung kann u. a. durch Legieren mit geringen Mengen an Al, Ti, Nb oder V (Mikrolegieren) vermieden
werden. Diese Legierungselemente bilden fein verteilte und thermisch beständige Carbide oder Nitride im Austenit
und stellen auf diese Weise Hindernisse für die Bewegung der Korngrenzen dar.
Lösung zu Aufgabe 5.3
Für den Erfolg einer Spannungsarmglühung ist u. a. die Abkühlgeschwindigkeit aus der Glühtemperatur entscheidend.
Überschreitet die Abkühlgeschwindigkeit einen Wert von etwa 50 K/h bis 100 K/h, dann muss mit einer erneuten Entstehung
von Eigenspannungen während der Abkühlung gerechnet werden.
In vorliegendem Fall wird das Bauteil aus der Glühtemperatur innerhalb von etwa 15 Minuten von 640 °C auf etwa 200
°C also mit 1760 K/h abgekühlt. Dementsprechend muss damit gerechnet werden, dass die Wärmebehandlung im Sinn
des Abbaus vorhandener Eigenspannungen erfolglos bleibt. Abhilfe: Abkühlgeschwindigkeit auf unter 100 K/h vermindern.
Lösung zu Aufgabe 5.4
a) Eigenspannungen: Spannungen im Bauteilinnern ohne das Vorhandensein einer äußeren Beanspruchung.
Eigenspannungen 1. Art: Erstrecken sich über größere Werkstoffbereiche, teilweise über den gesamten Werkstückquerschnitt
und befinden sich stets im inneren Gleichgewicht (auch als Makroeigenspannungen
bezeichnet).
Eigenspannungen 2. Art: Erstrecken sich über kleinere Werkstoffbereiche, in der Regel über einige Körner.
Eigenspannungen 3. Art: Erstrecken sich über kleinste Werkstoffbereiche (einige Atomabstände).
b) � Schweißen: Ungleichmäßige Abkühlung und behinderte Schrumpfung.
� Gießen: Unterschiedliche Schrumpfung infolge fester Schwindung (z. B. bei unterschiedlichen Wanddicken).
� Zerspanen: Verfestigung der Werkstückoberfläche z. B. aufgrund der Schnittkräfte.
c) � Eigenspannungen überlagern sich den Betriebsspannungen. Dadurch wird die Beanspruchbarkeit des Bauteils vermindert.
� Eigenspannungen können während einer spanenden Bearbeitung zu unerwünschten Maß- und Formänderungen
führen.
� Eigenspannungen vermindern das plastische Verformungsvermögen eines Werkstoffs.
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