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.Use of a steel for prestressed concrete inserts The calculation of prestressed concrete structures is based on the assumption that the steel inserts inserted into the concrete with prestressing retain their elasticity and thus their resilience. When determining the permissible load up to which the steel inserts can be loaded without permanent elongation, the so-called o, oi limit was assumed, i.e. the stress determined in the case of short-term stress in the tensile test, which results in a permanent elongation of o, oi ° / o and which is defined by the standard as the elastic limit. It was also believed that the permissible load on steels for prestressed concrete inserts could be increased by increasing the elastic limit by increasing the yield point, with steels with a non-pronounced yield point leaving a permanent strain of 0.2 ° / a as a standard Yield strength is set. Alloying and cold forming are effective means of increasing the yield strength of steels. So far, only alloyed or cold-formed steels have been used for highly stressed prestressed concrete inserts and the permissible load for these steels has been determined according to their o, oi limit. It has been found, however, that what is known as creep can occur in the above-mentioned steels even below the yield point under long-term static loads at room temperature. The calculation and dimensioning of prestressed concrete structures is therefore only possible if a steel is available as the prestressed concrete insert that can be predicted with certainty that it is creep-resistant. Studying the causes of creep and solving the problem of creating creep resistant steels is therefore of paramount importance. It has now been shown that creeping does not occur if precipitates are produced in the structure of the steel, which act as sliding inhibitions in the sliding surfaces. It is known that certain elements have the tendency to precipitate at room temperature if an alloy is oversaturated with these elements, that is, if this element is dissolved in the alloy to a greater extent than corresponds to the equilibrium state at room temperature, thereby causing what is known as precipitation hardening , which increases the yield strength. Alloying and cold forming have a much greater influence on increasing the yield strength than precipitation hardening, so that so far there has been no incentive to use steels influenced by precipitation hardening as prestressed concrete inserts. It has been found, however, that precipitation hardening has a significant influence on achieving a high creep limit because it practically raises the creep limit to the elastic limit and in this respect is far more effective than alloying and cold working. According to the invention, therefore, steels are used as the material for prestressed concrete inserts which, in addition to carbon, also contain other elements in an amount exceeding the degree of saturation at room temperature, which at this level have the ability and tendency to undergo static stress at room temperature as soon as permanent elongation sets in to cause such precipitations in the structure of the steel that produce slip inhibitions. Such elements are e.g. B. nitrogen, copper and phosphorus are known. The solubility of many elements of this type has been extensively researched and known. The figure shows the solubility ratios in a binary diagram. The two substances are labeled A and B. On the abscissa the contents of A are plotted decreasing and of B increasing from left to right. An alloy lying in the middle of the abscissa therefore contains 50% of both elements. The temperature is plotted as the ordinate. Each alloy made up of elements A and B is in the liquid state above line i-2-3. Below the line i-2 mixed crystals in which the element B is dissolved in the element A, below the line 2-3 mixed crystals in which the element A is dissolved in the element B , increasingly precipitate on cooling. If the temperature has dropped to the so-called eutectic line 4-5, it does not decrease any further until everything that has not yet solidified solidifies as a basic eutectic mass. However, if the temperature of the solidified alloy falls further, its constituents do not remain in equilibrium. The solubility of the elements in the mixed crystals decreases as the temperature drops. The solubility of element B in element A is e.g. B. represented by the line 1-4-6. The solubility increases as the temperature drops from point i to point 4 and from there on again to point 6. The amount of constituent B dissolved in the mixed crystal, indicated by point 4, separates out of the solid base mass again upon further cooling until the amount of element B indicated by point 6 remains dissolved in the alloy at room temperature. However, the illustration of the elimination process contained in the diagram only applies to the ideal case. In fact, the amount excreted depends on the cooling rate and also on the rate of diffusion. Is z. B. an alloy, the composition of which is shown by the line I and which is able to contain an amount of element B in A indicated by this point at point 7, cooled very quickly to the temperature corresponding to point 8, it retains the same amount of element B in solution. However, the alloy would only be in equilibrium if only the amount of component B indicated by point 6 remained in solution. It therefore has a tendency to precipitate element B again to the extent that it is contained in the mixed crystal above the degree of saturation. Depending on the type of alloy, this precipitation actually occurs more or less quickly and causes the sliding inhibitions in the structural sliding surfaces, which the invention makes use of and which make the steel creep-resistant. According to the invention, therefore, those steels are used for the purpose according to the invention, which contain the separable element B in a larger amount than corresponds to the saturation indicated by the point 6, so z. B. Steels with a content of precipitable element indicated by point 8 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.According to the scientific studies available so far, lies
the saturation point 6 at room temperature for the two-component system Fe-N at 0.012
% N, for the two-component system Fe-Cu at 0.2% Cu, for the two-component system Fe-P becomes
it is assumed to be 0.05% P.
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.Even if the element B, which in a larger than through the point
6 indicated amount is dissolved in element A, has the ability to stand at room temperature
to be eliminated, the tendency of the elements capable of elimination is to be eliminated
very different depending on the alloy. The tendency to excretion is great
large, the change of state during cooling does not follow line 7-8,
but after a line that lies between lines 7-8 and 7-6 and extends more
or less approaching line 7-6. To get a sufficient amount in such a case
to obtain the excretable element in solution, it is necessary to use the
Steel on a lying above the point 7 z. B. the point 9 corresponding temperature
at which component B all goes into solution, and then quickly
to cool down so that the change of state is along line 9-7-8. Is that eliminable
Element, on the other hand, is sluggish, the change of state already takes place during the
normal cooling rate more or less after the line 9-7-8, and it
therefore requires the aforementioned
subsequent heat treatment is not.
Such alloys then also have the disadvantage that they are subject to a long-lasting
static-elastic tension the excretable contained beyond the degree of saturation
Element precipitates too slowly and therefore the steel does not creep fast enough
will. This disadvantage is remedied according to the invention in that such excretion sluggish
Steels are subjected to cold working before they are used. By a
such cold deformation will result in the precipitation of the precipitable element,
as far as its content exceeds the degree of saturation, already completely or at least in
brought about sufficient scope. The eliminable elements are essentially
known, and the course of its saturation curve is, as already mentioned, largely
became known through the scientific publications. Otherwise are
in the case of a steel that is to be used for the purpose according to the invention,
It is easy to experimentally investigate the existing conditions to determine whether they
meet the requirements identified by the invention
and therefore can be used with certainty for the purpose according to the invention
can.
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'.While it was previously believed that for pre-stressed concrete layers and the like
horizontal uses, e.g. B. high-strength riveted joints, steels particularly high
Strength would have to be used, the present invention taught that
strength as such is by no means important, but rather that strength
up to which a steel is resistant to creep. Surprisingly, it turned out that
that so far as inferior, d. H. unsuitable for the purpose at hand
Prestigious steels have a particularly high creep resistance. So z. B. showed
a Thomas steel heat-treated in the aforementioned manner with a tensile strength of
164 kg / mm 'and a yield point of 152 kg / mm' an absolute creep strength
of 11o kg / mm '.