Ueber die Beziehung zwischen der Festigkeit und der strukturellen und chemischen Zusammensetzung der Kohlenstoffstähle. Von Dr.-Ing. W. Müller in Berlin-Karlshorst. MUELLER: Ueber die Beziehung zwischen der Festigkeit und der strukturellen usw. Die frühere ungenügende Kenntnis der Eigenschaften unserer Konstruktionsmaterialien führte die Fachwelt zu dem damals sehr erklärlichen Glauben, daß die Festigkeitseigenschaften lediglich von der chemischen Zusammensetzung der Stoffe abhängen, und es daher ein leichtes sein müsse, diese mechanischen Eigenschaften im Voraus auf Grund einer chemischen Analyse zu berechnen. Viele Forscher versuchten daher zunächst ihr Heil bei dem Kohlenstoffstahl als dem für die Technik wichtigsten Material. Erst die Einführung der mikroskopischen Metalluntersuchung machte ein tieferes Eindringen in die Natur der Metalle möglich, so daß auch nunmehr die Unhaltbarkeit jener Bestrebungen erkannt wurde. Es muß jedoch anerkannt werden, daß die Annahme eines einfachen gesetzmäßigen Zusammenhanges zwischen den Festigkeitseigenschaften und der chemischen Zusammensetzung äußerst fruchtbringend und anregend für die Metallforschung war. Ohne Zweifel besteht ein solcher Zusammenhang, jedoch kein einfacher, wie früher angenommen wurde. Die Beziehung dürfte vielmehr äußerst komplizierter Natur sein, da die Festigkeitseigenschaften außer von der chemischen Beschaffenheit auch noch von der mechanischen und thermischen Vorbehandlung abhängig sind; ich erinnere unter anderm nur an den Einfluß der Korngröße sowie der verschiedenartigen Gefügebildner. Diese durch äußere Einflüsse hervorgerufenen strukturellen Aenderungen lassen sich teilweise nur sehr schwer zahlenmäßig erfassen, worauf auch die Schwierigkeit ihrer mathematischen Formulierung beruht. Man hat sich deshalb auch in der Hauptsache zunächst mit dem völlig erweichten Zustand der verschiedenen Stahlsorten befaßt, da dieser zu jeder Zeit leicht wieder herzustellen ist, und die Veränderungen durch die mechanische Vorbehandlung so weit wie möglich vernichtet, d.h. die jeweilige Stahlsorte in den jungfräulichen Zustand überführt. In wieweit diese Annahme sich mit den Tatsachen deckt, wird weiter unten erläutert. Ein weiterer Grund für die Bevorzugung des geglühten Materials ist der Umstand, daß der Stahl nach dem Ausglühen lediglich aus den bekannten Gefügebildnern Perlit und Ferrit bzw. Perlit und Cementit besteht, also jeweils eindeutig bestimmt ist, während z.B. abgeschrecktes Material nicht nur die der Abschreckung entsprechenden Bestandteile enthält, sondern teilweise auch noch deren Zerfallprodukte, da die Abschreckung nie momentan, sondern stets nur mit Zeitaufwand erfolgen kann. Uebrigens würde eins Härtung infolge der thermischen Vorbehandlung nur für Stahl in Betracht kommen, da bei den „Metallen“ Kupfer, Aluminium, Bronze usw. eine solche durch Abschreckung nicht eintritt, wie ich auch in einigen ArbeitenMüller, Die thermische Behandlung der Metalle und ihre Legierungen; Metall und Erz 1913 S. 219.Müller, Ueber das Verhalten der thermisch vorbehandelten. Metalle und ihrer Legierungen hinsichtlich ihrer Festigkeit. Zentralblatt der Hütten- und Walzwerke 1913 S.46. dargetan habe. Im folgenden will ich nun an Hand der bis jetzt veröffentlichten Versuchsergebnisse, die in der Literatur sehr zerstreut liegen, die Frage des Zusammenhanges zwischen den Festigkeitseigenschaften und der strukturellen und chemischen Zusammensetzung der Kohlenstoffstähle näher beleuchten. Vom rein metallographischen Standpunkt aus wurde die rechnerische Beziehung in neuerer Zeit von SauveurSauveur, Die strukturelle Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften des Stahles. Journal of the Franklin Institute 1912 S. 499. behandelt. Textabbildung Bd. 329, S. 437 Abb. 1. Bezeichnet F freien Ferritgehalt in v. H. C Gesamtkohlenstoffgehalt in v. H. im Stahl P Perlitgehalt in v. H., E Kohlenstoffgehalt in v. H. im Perlit, Cm freien Cementitgehalt in v. H., D Kohlenstoffgehalt in v. H. im Cementit, so bestehen folgende Beziehungen (vergl. Abb. 1): a) Hypoeutektoider Stahl, d.h. Stahl mit < 0,85 v. H. C. P + F = 100. . . . . . . .(1) \frac{E}{100}\,.\,P=C . . . . . . . . .(2) b) Hypereutectoider Stahl, d.h. Stahl mit > 0,85 v. H. C. P + Cm= 100. . . . . . . (3) \frac{E}{100}\,.\,P+\frac{D}{100}\,.\,C_{\mbox{m}}=C . . . . . . . . (4) Gleichung (l) und (3) beruhen auf der Tatsache, daß ausgeglühter Stahl mit < 0,85 v. H. C aus Perlit und Ferrit, etwa 0,85 v. H. C aus Perlit, > 0,85 v. H. C aus Perlit und Cementit besteht. Gleichung (2) und (4) bedeuten lediglich, daß der Gesamtkohlenstoff C einerseits nur im Perlit und anderseits im Perlit und Cementit vorhanden ist. Der Kohlenstoffgehalt des Perlits beträgt bekanntlich E = 0,85 v. H., derjenige des Cementits D = 6,67 v. H. Aus obigen Gleichungen ergibt sich für hypoeutectoiden Stahl P ≌ 120 C: F = 100 – P (5) hypereutectoiden Stahl P\,\overset{\infty}{=}\,\frac{800-120\,C}{7}; Cm=100 – P (6) Unter der Voraussetzung, daß die Einzelbestandteile dem Stahl ihre eigenen physikalischen Eigenschaften proportional der in ihm vorhandenen Mengen mitteilen, ergeben sich folgende Beziehungen: hypoeutectoider Stahl \sigma_{\mbox{B}}=\frac{\sigma_{\mbox{BF}}\,.\,F+\sigma_{\mbox{BP}}\,.\,P}{100} . . . . (7) hypereutectoider Stahl \sigma_{\mbox{B}}=\frac{\sigma_{\mbox{BP}}\,.\,P+\sigma_{\mbox{BC}_{\mbox{m}}}\,.\,C_{\mbox{m}}}{100}. . . . (8) Sauveur setzt für die Festigkeit des Ferrits σbf rd. 35 kg/mm2, Perlits σbp „ 88 „ Cementits \sigma_{\mbox{BC}_{\mbox{m}}} „ 3 – 4 „ (geschätzt). Diese Werte in die Formeln (7) und (8) eingesetzt, ergibt als Endwert für die Festigkeit des hypoeutectoiden Stahles σb ≌ 35 + 63 ∙ C kg/mm2, hypereutectoiden Stahles σb ≌ 100 – 15 ∙ C Die Festigkeit der erweichten Kohlenstoffstähle erscheint mithin als lineare Funktion des Kohlenstoffgehaltes. Die obigen Gleichungen berücksichtigen nun in der Tat die Wärmebehandlung:, aber nur bis zu einem gewissen Grade. Sie bestehen nur für völlig erweichtes Material; eine genauere Berücksichtigung der thermischen Behandlung gestatten sie nicht, ebenso wie sie auch die mechanische Vorbehandlung außer Betracht lassen. Im Gegensatz zu obiger metallographischer Berechnung steht diejenige auf rein chemischer Grundlage. Als Beispiele mögen einige Formeln angeführt sein. (s. Tab. 1.) Wie man sieht, wurde zuerst nur der Kohlenstoffgehalt berücksichtigt, erst später, als die Forschung auch die Einflüsse der anderen Bestandteile klarlegte, wurden auch diese sowie die Herstellungsart mit einbezogen. JüptnerJüptner, Grundzüge der Siederologie.Jüptner, Beziehungen zwischen chemischer Zusammensetzung des Stahles und seinen mechanischen Eigenschaften. Stahl und Eisen 1900, S 939. stellte seine Formel unter der Annahme auf, daß der Einfluß geringer Beimengungen für gleiche Atommengen aller dieser Stoffe gleich ist, welche Voraussetzung sich auf das Verhalten verdünnter Lösung stützt. Um die thermische und mechanische Vorbehandlung sowie den Gehalt an anderen Begleitstoffen, z.B. Schwefel und Sauerstoff zu berücksichtigen, führt er die Konstante A ein. In Abb. 2 habe ich die in den letzten Jahren gewonnenen Versuchsergebnisse zusammengetragen. Es zeigte sich hierbei wieder, daß eine Verarbeitung der Resultate vieler Forscher nach anderer Richtung hin durch mangelhafte Angaben zahlreicher Versuchsdaten wie z.B. der Glühtemperatur, Glühdauer, Abkühlungsgeschwindigkeit usw. äußerst erschwert ist. Es wird leider vielfach der Zweck genauer Angaben auch nebensächlicher Umstände verkannt, und diese werden nur als unnötiger Ballast einer Arbeit angesehen. In Abb. 2 wurden nun lediglich die Werte für die Festigkeit σb und Streckgrenze σS eingetragen und zwar für den ausgeglühten und abgeschreckten Zustand. Auf die Dehnungswerte wurde verzichtet, da dieselben infolge der verschiedenen Art ihrer Messung sowie der oft willkürlich gewählten Meßlängen keine sichere Beurteilung zulassen und daher miteinander nicht ohne weiteres zu vergleichen sind. Aus Abb. 2 erkennt man, daß die Festigkeit und die Streckgrenze der Stähle sowohl im ausgeglühten wie auch abgeschreckten Zustand bei etwa 0,8 v. H. Kohlenstoff Tabelle 1. Forscher Material Formel Bauschinger Bessemerstahl σB kg/mm2 = 43,6 (1 + C2) Weyrauch – σB      „      = 44,2 (1 + C) Thurston – σB      „      = 35,3 + 42,3 ∙ C Osmond Martinstahl σB    t/cm2 = 2,6 + 4,6 C + 2,8 Mn + 1,1 Si + 6,5 P Demange Bessemerstahl σB     „       = 2,44 + 5,62 ∙ C + 1,91 ∙ Mn – 1,04 ∙ Mn2 + f(C) P + 3,25 S do. Martinstahl σB     „       = 2,29 + 5,62 ∙ C + 1,91 ∙ Mn – 1,04 ∙ Mn2 + f(C) P + 3,52 S in den letzten beiden Gleichungen ist   f(C) = 105,4 für C = 0,15 bzw. 0,25 v. H.        f(C) = 702,2 ∙ C für C = 0,08 bzw. 0,15 v. H.f(C) = 56,2 für C = 0,06 bzw. 0,08 v. H. Jüptner – σB     „       =A+\frac{20}{3}\,C+\frac{20}{7}\,Si+\frac{10}{7}\,Mn einen Höchstwert erreicht. Die Stähle mit diesem Kohlenstoffgehalt sind aber in völlig erweichtem Zustand rein perlitisch, wie aus Abb. 1 hervorgeht; diese Stähle sind also relativ homogen. Der Perlitgehalt nimmt für die hypoeutectoiden Stähle linear mit dem Kohlenstoffgehalt zu. Textabbildung Bd. 329, S. 439 Abb. 2. Zeichen; Forscher; Literatur; Rudeloff; Mitt. Kgl. Mat.-Prüf.-Anst. 1889, 1890, 1891; Joisten; Diss. Aachen 1911; Eichhoff; Stahl und Eisen 1903; Arnold Engineering 1897; Minutes of Proceed 1896; Harbord; Metallurgie 1907; Mc. William u. Barnes; Iron and Steel 1909; Andrews; Iron Age 1906; Campbell; Iron and Steel 1903; Franklin-Inst. 1904; Metallurgie 1906; Wawrziniok; Metallurgie 1907; Hanemann u. Jung; Stahl und Eisen 1911; Diss. Berlin 1911; Brunton Metallurgie 1906; Charpy; Bull, de la Soc. d'euc. 1895; Brinell; Iron and Steel 1901; Pütz; Stahl und Eisen 1906. hypoeutectoiden Stähle nimmt also proportional dem Perlitgehalt zu. Es bietet das ja auch kaum eine Ueberraschung, da der Ferrit weich, der Perlit dagegen infolge seines strukturellen schichtenweisen Aufbaues aus Ferrit und Cementit hart ist. Abb. 2 läßt auch erkennen, wie weit die einzelnen Berechnungsformeln sich den tatsächlichen Verhältnissen nähern. Ueberschreitet der Kohlenstoff einen Gehalt von etwa 0,8 v. H., d.h. gehen wir zu den hypereutectoiden Stählen über, so nimmt hier die Festigkeit und Streckgrenze wieder ab. Jetzt nimmt der sehr harte Cementit einen mit dem Kohlenstoffgehalt wachsenden Anteil an dem Aufbau des geglühten Stahles. Nur noch die metallographische Berechnungsweise versucht für diese Stähle eine Vorausbestimmung der Festigkeit. Hierbei ist nun auffällig, daß sämtliche ermittelten Festigkeilswerte zum größten Teil beträchtlich unterhalb dieser Linie liegen. Die Sauveursche Gleichung σb = 100 – 15 ∙ C beruht zwar lediglich auf der Voraussetzung, daß die Festigkeit des reinen Cementits etwa 3 bis 4 kg/mm2 ist, welcher Wert bis jetzt noch nicht experimentell ermittelt werden konnte. Die tatsächliche Abweichung der gefundenen Werte dürfte ihren Grund aber wohl zunächst in der Tatsache haben, daß bei der Ausglühung der hochgekohlten Stähle eine teilweise Entkohlung stattfindet, während die Sauveur sehe Linie also den annähernden theoretischen Verlauf darstellt. Die Ergebnisse der Tabelle erwecken den Anschein, als wenn die Festigkeit und Streckgrenze bis zu einem gewissen Betrage abnimmt, um von da an (bei etwa 1,2 v. H. C) konstant zu bleiben. Ganz ähnlich den ausgeglühten Stählen verhalten sich die abgeschreckten; bei etwa 0,8 v. H. C erreichen auch diese einen Höchstwert; bei weiterer Kohlenstoffsteigerung sinkt die Festigkeit wieder ab. Bildet man das Verhältnis \frac{\sigma_{\mbox{S}}}{\sigma_{\mbox{B}}}, so erhält man im Mittel für     ausgeglühte Stähle etwa 0,58abgeschreckte Stähle etwa 0,61 Mittel 0,6 Dieser Wert besteht jedoch nicht mehr für die abgeschreckten hypereutectoiden Stähle, da diese zu spröde werden, so daß eine Streckgrenze für sie nicht mehr existiert. Bei dem Vergleich der einzelnen Werte gleichen Kohlenstoffgehaltes sind in erster Linie die großen Unterschiede bemerkenswert. Dieses Auseinandergehen der Versuchsergebnisse der einzelnen Forscher beruht nun zum Teil in der verschiedenen chemischen Zusammensetzung hinsichtlich des Mangan- und Siliziumgehalts. ThurstonSchmitz, Verh. des Vereins z Beförd. des Gewerbfleißes 1903 S.243 ff. schreibt dem Mangan eine Festigkeitssteigerung zu, die etwa 20 v. H. der durch eine gleiche Menge Kohlenstoff hervorgerufenen beträgt, während StadelerSt ad er, Stahl und Eisen 1913 S. 2030. auf 0,10 v. H. Mn rund 1,4 kg/mm2 Festigkeitserhöhung rechnet. Dieser Einfluß des Mangan und Silizium läßt sich an den Zahlen der Forscher nicht regelmäßig verfolgen; es wurde deshalb auf den Gehalt dieser Beimengungen keine Rücksicht genommen, zumal der Einfluß infolge der mechanischen und thermischen Vorbehandlung denjenigen der Fremdstoffe teilweise bei weitem überragt. Die mechanische Vorbehandlung erstreckt sich auf die Bearbeitung durch Walzen, Ziehen, Hämmern usw., während die thermische Behandlung nicht allein die Zwischenglühungen bei der Bearbeitung, sondern vor allen Dingen auch das letzte Ausglühen der Proben umfaßt. Hierbei ist zu beachten, daß eine Abkühlung an der Luft zur Erlangung des jungfräulichen Materials oft noch zu schnell vor sich geht, so daß der Zerfall des Martensits nicht vollständig in Perlit erfolgt, sondern ein sorbitisches Gefüge entsteht. Auf Grund der Versuchsergebnisse kann die Frage des Zusammenhanges der Festigkeit mit dem strukturellen und chemischen Aufbau der Stähle noch nicht als völlig geklärt angesehen werden.