• 24. Oktober 2011

    Was ist eigentlich … Spannbeton? (Eigenspannungen – Teil 1)

    Spannbeton „lebt“ von seinen Eigenspannungen. Was Eigenspannungen sind, welche große Bedeutung sie für Bauteile haben, und wie sie erzeugt werden, das soll in diesem und in weiteren Beiträgen beschrieben werden. Das Thema „Spannbeton“ ist sehr gut zum Einstieg in das Sujet „Eigenspannung“ geeignet. Dann steigen wir mal ein:

    Beton ist ein außerordentlich vielseitiger Werkstoff mit zahlreichen Stärken. Dazu gehört u.a., dass Beton sehr hohe Druckkräfte ertragen kann – das nutzen wir zum Beispiel beim Bau hoher Gebäude. Wo Stärken sind, gibt es natürlich auch Schwächen. Dazu gehört die sehr geringe Zugfestigkeit des Betons. Schon relativ geringe Zugkräfte führen dazu, dass Beton reißt. Nun gibt es aber zahlreiche Anwendungsfälle im Baubereich, wo Zugkräfte ertragen werden müssen, wo man aber dennoch gern den sehr flexiblen Baustoff Beton einsetzen möchte. Geht das? Ja, mit Spannbeton.

    Dazu brauchen wir einige Stangen aus hochfestem Stahl, in unserem Bild drei an der Zahl. Hochfest bedeutet, dass die Zugfestigkeit (Kraft, bei der die Stange reißt) und die Streckgrenze (Kraft, bei der sich die Stange erstmals makroskopisch sichtbar verformt) außerordentlich hoch sind.

    Diese Zugfestigkeit und Streckgrenze gestatten uns, die Stahlstangen mit einer Zugspannung (← →) sehr stark vorzuspannen, so wie es im nächsten Bild zu sehen ist. Dabei dehnen wir die Stangen nur elastisch. Das bedeutet, dass sie ihre Ursprungslänge wieder annehmen würden, wenn die Zugkraft verschwindet.

    Wir halten die Stahlstangen, die sich z.B. in einer Form befinden, mit einer Spannvorrichtung unter dieser Zugspannung und füllen die Form nun mit Beton. Der Beton härtet aus und geht mit den Stahlstangen eine kraftschlüssige und formschlüssige Verbindung ein. Kraftschlüssig, weil Reibungskräfte Bewegungen zwischen Beton und Stahloberfläche verhindern, formschlüssig, weil die Stahlstangen meist gerippt sind und ihr Oberflächenprofil eine Bewegung zwischen Beton und Stahlstange verhindert. Ist der Beton ausgehärtet, dann stehen die Stahlstangen natürlich immer noch unter Zugspannungen wogegen der Beton mehr oder weniger spannungsfrei ist – das zeigt das nachfolgende Bild.

    Jetzt werden die Zugkräfte „abgeschaltet“ – z.B. indem das ausgehärtete Betonbauteil aus der Spannvorrichtung genommen wird. Sobald die Zugkräfte nicht mehr an den Stahlstangen angreifen, wollen sich diese natürlich zusammenziehen. Das tun sie dann auch, und zwar gegen den Widerstand des Betons, der eigentlich keine Veranlassung sieht, sich auch zusammenzuziehen. Er wehrt sich also tapfer, wird aber dennoch etwas zusammengepresst.

    Wegen der „Gegenwehr“ des Betons können sich die Stahlstangen nicht vollständig entspannen. Das Ergebnis ist, dass die Stahlstangen immer noch unter Zugspannungen stehen, welche bei Weitem nicht mehr so hoch sind wie im vorgespannten Zustand. Der Beton aber gerät unter Druckspannung (→ ←), weil er ja gezwungen wird, sich etwas zusammenzuziehen. Das verdeutlicht das nächste Bild.

    Wir haben nun ein Betonbauteil, auf das keine äußeren Kräfte (oder Spannungen) mehr wirken, in dessen Inneren es aber Spannungen gibt: Zugspannungen in den Stahlstangen und Druckspannungen im Beton. Solche Spannungen, die ohne das Wirken äußerer Kräfte vorliegen, nennen wir Eigenspannungen. Eigenspannungen können die Funktionsfähigkeit eines Bauteils sehr stark zum Guten oder zum Schlechten beeinflussen. In unserem Fall tun sie es natürlich zum Guten. Warum?

    Dazu betrachten wir das letzte Bild. Wenn jetzt auf das Betonbauteil eine äußere Zugspannung (<= =>) wirkt, dann überlagern sich äußere Spannung und die im Inneren wirkenden Eigenspannungen. Das Ergebnis ist, dass die Stahlstangen wieder unter starke Zugspannungen geraten, was auf den Werkstoff Stahl aber keine Auswirkung hat. Im Beton überlagern sich äußere Zugspannung und innere Druckeigenspannung und solange das Ergebnis der Überlagerung keine zu hohe „Gesamt-Zugspannung“ bewirkt, kann der Beton auch erhebliche äußere Zugkräfte ertragen, ohne dass er reißt.

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  • 19. Oktober 2011

    Qualitätssicherung – damals, vor einigen Jahren …

    Qualitätssicherung – damals, vor einigen Jahren …

    König Hammurapi von Babylon ließ im Jahre 1800 vor Christus die Rechtssprechung seiner Zeit und seines Reiches in Stein meißeln. Der Codex Hammurapi ist eine der ältesten Gesetzessammlungen der Welt und regelte in 281 Paragraphen die verschiedensten Dinge des Lebens: Fragen zur Familie, zu Eigentum und Besitz, zu kaufmännische Angelegenheiten, zu Straftaten und zur Haftung. Letzteres kann man im weitesten Sinne als qualitätssichernde Maßnahme verstehen. Lesen wir doch mal „rein“: Continue reading Qualitätssicherung – damals, vor einigen Jahren …

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  • 13. Oktober 2011

    Nobelpreis für Chemie 2011 an einen Werkstoffwissenschaftler vergeben!

    Nobelpreis für Chemie 2011 an einen Werkstoffwissenschaftler vergeben! 

    Daniel Shechtman erhält den diesjährigen Nobelpreis für Chemie für seine Entdeckung, dass Atome in Metallen sich in nichtperiodischen, fünfzähligen, quasikristallinen Strukturen anordnen können. Was bedeutet das nun, und worin besteht die Leistung von Shechtman?

    Um das besser zu verstehen, wechseln wir den Beruf und werden Fliesenleger. Die jungen Fliesenleger lernen, dass man einen Raum lückenlos mit dreieckigen, viereckigen oder sechseckigen Fliesen füllen kann. Das zeigen die Bilder. Eine dreieckige, gleichschenklige Fliese kann man 3 x um 120° drehen und in jedem der drei Fälle würde sie wieder in das Fliesenmuster passen. So etwas nennt man dreizählige Symmetrie. Viereckige Fliese könnten wir 4 x um 90° drehen und sechseckige Fliese sogar 6 x um 60°, ohne dass sich irgendetwas ändert. Wir können eine Fläche lückenlos mit drei-, vier- oder sechseckigen Fliesen füllen und erhalten dabei in jeder Richtung ganz periodische Anordnungen – Fliese für Fliese für Fliese …

      

    Ähnliche Strukturen finden die Werkstoffwissenschaftler auch in Metallen. Atome ordnen sich in periodischen Kristallstrukturen, deren Symmetrie z.B. dreizählig, vierzählig (Quadrat: 4 x 90°) oder sechszählig ist. Eins aber war immer ein Tabu für die Werkstoffwissenschaftler – eine fünfzählige Symmetrie. Ganz analog zum Fliesenleger, der mit fünfeckigen Fliesen keine Fläche lückenlos ausfüllen kann.

    Wie erkennen die Werkstoffleute solche Symmetrien? Natürlich nicht direkt mit dem bloßen Auge – dafür sind unsere „Metall-Fließen“ viel zu klein. Werkstoffwissenschaftler nutzen indirekte Nachweise – z.B. durch die Beugung von Elektronen- oder Röntgenstrahlen. Das Bild zeigt ein vierzähliges Elektronen-Beugungsmuster eines Metalls, in dem die Atome „würfelförmig“ angeordnet sind. Shechtman fand nun aber Beugungsmuster, die fünfeckig waren. Das war „verboten“!

    Kehren wir mit diesem Gedanken zurück zu unseren Fliesenlegern und stellen uns vor, dass es eine „goldene Regel“ in der Fliesenlegerinnung gibt, die heißt: „Anordnungen mit fünfzähliger Symmetrie sind unmöglich“. Und nun kommt „Fliesenleger Shechtman“ und sagt: „Ich hab was Fünfeckiges gefunden“. Wie begeistert wird die Fliesenlegerinnung wohl gewesen sein? Gar nicht! Shechtman musste mehrere Jahre kämpfen, um seine Ergebnisse gegen den Widerstand der „etablierten Wissenschaft“ überhaupt veröffentlichen zu dürfen. Seine Ergebnisse wurden von anerkannten Gelehrten als falsch oder als Spinnerei abgetan. Den Nobelpreis erhält er circa 30 Jahre nach seiner Entdeckung.

    Wie können sich Atome in fünfzähligen Strukturen anordnen, obwohl man mit Fünfecken keine Fläche lückenlos füllen kann? Wie das geht, zeigt das Bild:

    Man nehme zwei spezielle Typen von gleichseitigen Rauten (also Vierecken!), deren spitze Winkel 72° bzw. 36° betragen und ordne sie, wie im Bild dargestellt. Die Fläche ist nun vollständig gefüllt, aber wir erhalten keine periodische Anordnung wie bei den drei-, vier- und sechseckigen Fliesenmustern. Wenn man sich genauer ansieht, in welche Richtungen die Kanten der Rauten zeigen, so findet man fünf unterschiedliche Richtungen – das ist unsere fünfzählige Symmetrie! Ordnen sich Atome so an, dann nennt das der Werkstoffwissenschaftler Quasikristall – soll heißen, es gibt keine periodische Regelmäßigkeit, aber es gibt auch keine Lücken.

    Wofür hat Shechtman nun den Nobelpreis bekommen?
    • Weil er Einzigartiges gefunden hat.
    • Weil er Revolutionäres gedacht hat.
    • Weil er seine Überzeugung verteidigt hat.
    • Weil er die Welt der Werkstoffwissenschaften verändert hat.
    • Und außerdem haben Quasikristalle ganz interessante und nützliche Eigenschaften …

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  • 13. Oktober 2011

    Was sind eigentlich … Versetzungen?

    Versetzungen begegnen uns vor allem in Metallen. Dort sind die Atome ganz regelmäßig angeordnet und bilden auf diese Art Kristalle. Was könnten wir mit einem Metall wie z.B. Eisen anfangen, in dessen Inneren sich die Atome absolut perfekt, ohne jede Abweichung – also ohne jeden Kristallbaufehler – angeordnet haben? Die vielleicht überraschende Antwort: Herzlich wenig!

    So überraschend es klingt: Metalle funktionieren nur durch Ihre Kristallbaufehler. Und der sicher wichtigste unter diesen Kristallbaufehlern ist die Versetzung. Versetzungen machen z.B. die plastische Verformung von Metallen erst möglich und bestimmen Festigkeit und Zähigkeit eines Werkstoffes entscheidend.

    Die Theorie der Versetzungen ist recht kompliziert, es gibt aber ein gutes Beispiel aus dem Alltagsleben, an dem man alles Wichtige verdeutlichen kann. Unseren Werkstoff stellen wir uns als einen großen Teppich vor. Dann ist die Versetzung eine Teppichfalte. Wollen wir den Teppich verschieben, dann erzeugen wir eine Teppichfalte und schieben diese durch den Teppich. Reicht die Verschiebung nicht aus, dann schieben wir eine weitere Falte hinterher. Durch entsprechend orientierte Teppichfalten und deren Anzahl können wir den Teppich in beliebige Richtung und beliebig weit verschieben.

    Plastische Verformung von Werkstoffen (z.B. Schmieden oder Walzen) bedeutet Bewegung von Versetzungen durch den Werkstoff bis die gewünschte Form erreicht ist. Allerdings ist unsere Versetzung im Vergleich zur Teppichfalte winzig klein und „verschiebt“ den Werkstoff nur um etwa den zehnmillionsten Teil eines Millimeters. Bei der Massivumformung eines Werkstoffes (z.B. beim Schmieden) ist also eine unvorstellbar große Zahl von Versetzungen im Einsatz.

    Wollen wir unseren Werkstoff verformen (den Teppich verschieben), dann sollen sich die Versetzungen (Teppichfalten) natürlich ungehindert bewegen können. Hindernisse im Werkstoff (auf dem Teppich) wie zum Beispiel Ausscheidungen (Gegenstände auf dem Teppich) wären da extrem hinderlich. Aus diesem Grunde erwärmt der Schmied seinen Stahl vor dem Verformen auf weit über 1000°C. Dadurch werden Ausscheidungen aufgelöst und außerdem ändert sich die Kristallstruktur des Stahls derart, dass die Versetzungen sich besonders gut bewegen können – die Verformung also besonders einfach ist.

    Ist ein Metall weich und zäh bedeutet das, dass Versetzungen sehr gut beweglich sind. Hohe Festigkeit und Sprödigkeit hingegen erhält man, wenn sich Versetzungen schlecht oder nicht mehr bewegen. Wollen wir einen Werkstoff also „in Form bringen“, dann soll der Werkstoff weich sein. Die Versetzungen müssen sich einfach bewegen können. Ist er einmal in Form, dann darf sich diese üblicherweise nicht mehr ändern und der Werkstoff wird fest sein. Die Versetzungen sollen sich also nur noch schwer bewegen können.

    Bei Stahl erreichen wir das z.B. durch eine Wärmebehandlung – hier durch Vergüten. Durch die Wärmebehandlung sorgen wir dafür, dass unser Werkstoff fest wird (der Teppich sich schwer verschieben lässt), in dem wir die Beweglichkeit die Versetzungen (Teppichfalten) stark behindern. Dazu legen wir den Versetzungen ganz gezielt Hindernisse wie zum Beispiel Eisenkarbid-Ausscheidungen in den Weg (Gegenstände auf dem Teppich).

    Schmied und Wärmebehandler beschäftigen sich schon seit Jahrtausenden mit Versetzungen (ohne das früher gewusst zu haben). Der Unterschied: Der Schmied will Versetzungen ungehindert durch das Kristallgitter der Metalle treiben. Der Wärmbehandler will üblicherweise genau das Gegenteil – er will die Versetzungen behindern wo er kann.

     

    Wenn Sie mehr zum Thema „Versetzungen“ oder Stahl erfahren möchten, oder sich zu anderen Themen der Werkstofftechnik weiterbilden möchten, empfehlen wir einfach mal einen Blick auf die Kurse des W.S. TrainingCenters zu werfen. Dort finden Sie zu vielen interessanten Themen die passenden Kurse und Seminare, oder fragen Sie unsere TrainingCenter Ansprechpartner direkt.

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  • 13. Oktober 2011

    Was ist eigentlich … Vergüten von Stahl?

    Wir vergüten, um Stähle fest und zäh zu machen. Hohe Festigkeit bedeutet großer Widerstand gegen plastische Verformung. Hohe Zähigkeit bedeutet großer Widerstand gegen Risswachstum und Bruch und zwar weil der Stahl verformbar ist. Der Stahl soll sich also verformen und gleichzeitig soll er es nicht?
    Wie passt das zusammen?
     

    Stahl verformt sich durch die Bewegung von Versetzungen. Vergüten bedeutet, den Versetzungen ganz gezielt Hindernisse in den Weg zu legen, so dass ihre Beweglichkeit stark eingeschränkt (Festigkeit), aber nicht völlig unmöglich (Zähigkeit) ist. Wie machen wir das?

    Dazu müssen wir klären, wie Stahl eigentlich funktioniert. Stahl ist Eisen mit etwas Kohlenstoff. Das „Etwas“ ist aber entscheidend. „Normaler“ Stahl bei Raumtemperatur ist eine Kombination aus fast reinem Eisen (Ferrit), in dem sich Eisenkarbide (Zementit) ausgeschieden haben. Zementit-Ausscheidungen sind Eisen-Kohlenstoff-Verbindungen. Das Kristallgitter des Ferrits kann nur ganz wenige Kohlenstoffatome aufnehmen. Deshalb bildet sich Zementit, in dem all der Kohlenstoff gebunden wird, der nicht in den Ferrit „darf“. Die jeweilige Kombination von Ferrit und Zementit bestimmt die Werkstoffeigenschaften.

    In Stählen, die nicht wärmebehandelt wurden, bilden sich Strukturen, in denen relativ große Ferrit- und Zementitplatten abwechselnd gestapelt sind. Der weiche, gut verformbare Ferrit sorgt für Zähigkeit, die harten Karbide blockieren die Versetzungen und sorgen für Festigkeit. Viel besser (weil noch fester und zäher) wären aber viele kleine und runde Karbide statt weniger großer und plattenförmiger Karbide. Und genau das erreichen wir durch Vergüten.

    Dazu müssen wir zunächst die Zementit-Ausscheidungen auflösen und den dort gebundenen Kohlenstoff im Stahl verteilen. Wie aber geht das, wenn der Ferrit nur ganz wenig Kohlenstoff aufnehmen kann? Wir erwärmen den Stahl auf oberhalb 700°C. Bei dieser Temperatur bildet sich eine andere Kristallstruktur des Eisens, der Austenit. Austenit kann viel mehr Kohlenstoff aufnehmen als Ferrit. Wir können also Karbide problemlos auflösen, wenn die Temperatur hoch genug ist, um Austenit zu bilden – dieser Vorgang heißt Austenitisieren. Dann wird schnell abgekühlt – so schnell, dass der Kohlenstoff keine Zeit erhält, Karbide zu bilden. Wir „frieren“ den Kohlenstoff also praktisch in unserem Kristallgitter ein, das sich dadurch verspannt und fest aber auch extrem spröde wird. Diese Kristallstruktur nennen wir Martensit. Der Kühlprozess, der zum Martensit führt, heißt Härten.

    Sehr hohe Festigkeit haben wir nun. Fehlt noch Zähigkeit. Um die zu erreichen, erwärmen wir den Stahl auf ca. 500°C – das nennen wir Anlassen. Die Kohlenstoffatome werden dadurch wieder beweglich und machen nun das, was die Natur von Ihnen erwartet – Eisenkarbide bilden. Der Unterschied ist aber nun, dass wir durch die Wahl von Anlasstemperatur und Anlasszeit die Größe, Anzahl und Verteilung des sich bildenden Zementits steuern können. Nach dem Vergüten – also nach dem Austenitisieren, Härten und Anlassen – haben wir wieder eine Kombination aus fast reinem Eisen (der Martensit hat sich durch das Anlassen fast vollständig in Ferrit „rückverwandelt“) und Zementit. Der entscheidende Unterschied ist aber, dass die vielen kleinen, runden Karbide, die sich nun gebildet haben, zu einem Werkstoffzustand führen, der hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit ins sich vereint.

    Der ganze Vergütungsprozess lässt sich ein wenig mit der Kernsanierung eines Hauses vergleichen. Wenn uns die Funktion des Hauses nicht gefällt, dann beseitigen wir zunächst alle Wände in seinem Inneren. Wir bauen dann nach unseren Vorstellungen neue Wände aus den Ziegelsteinen der alten Wände. Je nach dem, wie und wie viele neue Wände wir setzten, fallend die neuen Eigenschaften des Hauses aus.
     

    Wenn Sie mehr zum Thema „Vergüten“ erfahren möchten, oder sich zu anderen Themen der Werkstofftechnik weiterbilden möchten, empfehlen wir einfach mal einen Blick auf die Kurse des W.S. TrainingCenters zu werfen. Dort finden Sie zu vielen interessanten Themen die passenden Kurse und Seminare, oder fragen Sie unsere TrainingCenter Ansprechpartner direkt.

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