DD267513A1 - HIGH-STRENGTH STEEL, PARTICULARLY TENDER STEEL, WITH IMPROVED RESISTANCE TO TENSION CRACKING CORROSION AND DELAYED BRIDGES - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen hochfesten Stahl, insbesondere Spannstahl, mit verbesserter Bestaendigkeit gegenueber Spannungsrisskorrosion und verzoegerten Bruechen, der bevorzugt fuer den Einsatz im Spannbetonbau vorgesehen ist. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen hochfesten Stahl, insbesondere einen Spannstahl zu entwickeln, dessen Empfindlichkeit gegenueber Spannungsrisskorrosion und verzoegerten Bruechen nicht in dem Masse wie seine Festigkeit zunimmt und somit eine hoehere Stahlausnutzung eroeffnet. Geloest wird die Aufgabe dadurch, dass der hochfeste Stahl bei technisch homogener Zusammensetzung ueber dem Querschnitt ein - infolge partiell differenzierter Verfestigung - inhomogene Festigkeitsverteilung besitzt, wobei der gegenueber der Randschicht um 50 bis 450 MPa hoeher verfestigte Kernbereich ein Verhaeltnis der Elastizitaetsgrenze Rp 0,01 zur Zugfestigkeit Rm von 0,70 bis 0,85 aufweist und die Randschicht demgegenueber hinsichtlich des Verhaeltnisses Rp 0,01 zu Rm einen jeweils um 0,05 hoeheren Wert besitzt. Die Randschicht hat eine Staerke von mindestens 0,1 mm und nimmt maximal ein Drittel des gesamten Querschnitts ein.The invention relates to a high-strength steel, in particular prestressing steel, with improved resistance to stress corrosion cracking and delayed fractures, which is preferably intended for use in prestressed concrete construction. The object of the invention is to develop a high-strength steel, in particular a prestressing steel, whose sensitivity to stress corrosion cracking and delayed fractures does not increase in the mass as its strength and thus opens up a higher steel utilization. The object is achieved by the fact that the high-strength steel has technically homogeneous composition over the cross-section - due to partially differentiated solidification - inhomogeneous strength distribution, wherein the relative to the edge layer by 50 to 450 MPa higher solidified core area a ratio of elasticity limit Rp 0.01 to Tensile strength Rm of 0.70 to 0.85 and the peripheral layer, however, in terms of the ratio Rp 0.01 to Rm each has a value of 0.05 higher. The boundary layer has a thickness of at least 0.1 mm and occupies a maximum of one third of the entire cross section.
Description
Die Erfindung betrifft einen hochfesten Stahl, der bevorzugt für den Einsatz im Spannbetonbau vorgesehen ist.The invention relates to a high-strength steel, which is preferably intended for use in prestressed concrete.
Heim Einsatz von hochfesten Stählen, insbesondere im Spannbetonbau, kommt es wiederholt zu Brüchen einzelner Spannglieder kurze Zeit nach dem Vorspannen sowie auch noch nach mehreren Jahrsn der Nutzung der Bauwerke. Die Brüche, die meist als Sprödbrüche bezeichnet werden, da ihr überwiegender Anteil makroskopisch verformungslos erscheint, gehen ausschließlich von der Obe-fläche der Spannstähle aus. D: a Ausgangsstellen sind an der Oberfläche des Stahles befindliche kleine Fehler, wie Risse, Riefen, Narben oder ähnliches mit einer Tiefe von wenigen hundertstel bis zehntel Millimetern. Die Brucherscheinungen sind unter der Bezeichnung „verzögerter Bruch", „wasserstoffinduzierter Bruch" oder „Wasserstoffversprödung" bekannt. Da die Brüche bevorzugt nach Ablauf von chemischen Reaktionen an der Stahloberfläche, bei denen Wasserstoff frei wird, entstehen, werden sie meist unter dem Sammelbegriff „Spannungsrißkorrosicn" geführt. Bedingungen für die Entstehung dieser Brüche sind äußere Spannungen, di* weit unter der Streckgrenze liegen können sowie auch Eigenspannungen. Eine entscheidende Rolle bei der Bruchauslösung spielt Wasserstoff, der im Stahl als Restwassorstoff enthalten sein kann, sowie auch solcher von außen bei Korrosionsvorgängen in den Stahl eindiffundierender Wasserstoff. Als Rißkeime dienen scharfe Kerben oder auch nur Gitterstörungen an Oberflächenfehlern, an denen sich der Wasserstoff anlagert und nach einer Inkubationszeit einen Anriß und ein bis zum Bruch fortschreitendes Rißwachstum in Gang setzt. Die Anfälligkeit der Stahle gegen diese Bruchart nimmt mit der Höhe der anliegenden Spannungen und mehr noch mit der Höhe der Festigkeit des Werkstoffes zu.Home Use of high-strength steels, especially in prestressed concrete, repeatedly leads to fractures of individual tendons shortly after tempering and even after several years of use of the structures. The fractures, which are usually referred to as brittle fractures, since their predominant proportion appears macroscopically without deformation, are based exclusively on the top surface of the prestressing steels. D : a Starting points are small defects on the surface of the steel, such as cracks, grooves, scars or the like with a depth of a few hundredths to tenths of a millimeter. The fracture phenomena are known as "delayed fracture", "hydrogen-induced fracture" or "hydrogen embrittlement." Since the fractures are preferentially formed after the completion of chemical reactions on the steel surface where hydrogen is released, they are usually termed "stress cracking corrosion."" guided. Conditions for the formation of these fractures are external stresses, which can lie * far below the yield strength as well as residual stresses. Hydrogen, which can be contained in the steel as residual water, plays a decisive role in the release of the crack, as well as hydrogen which diffuses from the outside during corrosion processes in the steel. As crack germs are sharp notches or even lattice defects on surface defects, in which the hydrogen attaches and after an incubation period, a crack and a crack propagating crack propagation in motion. The susceptibility of steels to this type of breakage increases with the level of applied stresses and, more importantly, with the level of strength of the material.
Es wurde nach Untersuchungen von Matthaes (Werkstoffe und Korrosion 18 [1967] S. 588/597! Owie von Neumann und Carius (Archiv für das Eisenhüttenwesen 30 (1959) S. 233/238) eine umgekehrte Proportionalität der Bruchzeit von der 3. Potenz der anliegenden Spannung und voi der 9. Potenz der Werkstoffestigkeit angegeben.According to studies by Matthaes (Werkstoffe und Corrosion 18 [1967] p. 588/597! O as by Neumann and Carius (Archiv für die Eisenhüttenwesen 30 (1959) p. 233/238) an inverse proportionality of the breaking time to the 3rd power was found the applied voltage and voi the 9th power of the material strength specified.
Die Standzeit von Spannungsrißkorrosionsproben wird von Stolte (Vortrag FIP-Symposium, Madrid 1968) durch folgende Beziehung charakterisiert;The lifetime of stress corrosion cracking samples is characterized by Stolte (Lecture FIP Symposium, Madrid 1968) by the following relationship;
t =t =
σ3 σΒ 9 σ 3 σ Β 9
Hierbei ist „C" eine Konstante für die bruchauslösenden Bedingungen, wie die .spezifische Widerstandsfähigkeit des Werkstoffes und die Schärfe der Angriffsbedingungen. Die Spannung σ entspricht der Vorspannung und oB der Zugfestigkeit des Werkstoffes.Here, "C" is a constant for the fracture-inducing conditions, such as the specific resistance of the material and the severity of the attack conditions: the stress σ corresponds to the prestress and o B to the tensile strength of the material.
Somit sind z. B. Federstähle und Spannstähle, die Festigkeiten Y 1500 MPa besitzen und auf 0,5 bis 0,7 ihrer Festigkeit vorgespannt werden, besonders anfällig gegen Spannungsrißkorrosion bzw. verzögerte Brüche.Thus, z. As spring steels and prestressing steels, the strengths have Y 1500 MPa and are biased to 0.5 to 0.7 of their strength, particularly susceptible to stress corrosion cracking or delayed fractures.
Es wurde vorgeschlagen, als Spannstähle bevorzugt gezogene Drähte einzusetzen, wobei auch der Nachweis geführt wurde, daß diese — wahrscheinlich wegen ihrer besseren Oberflächenqualität — beständiger in speziellen Prüflösungen zur Testung der Spannungsrißkorrosion wären als warmgewalzte vergütete Stähle. Für warmgewalzte und vergütete Spannstähle erfolgt die Entwicklung von weniger anfälligen Legierungskombinationen (Stolte und Jäniche, Vorträge auf FIP-Symposium, Madrid 1968). Es sind jedoch nach wie vor weltweit Spannstahlbrüche an kaltgezogenen als auch an vergüteten Stählen zu verzeichnen, so daß sich die vorgeschlagenen Maßnahmen nicht als durchgreifend erwiesen. Es gibt auch die verschiedensten Vorschläge zum Korrosionsschutz der Spannstähle, die sich jedoch auch nicht bewährten, da einerseits die Korrosionsschutzschichten im Beton beständig sein müssen, den Haftverbund mit dem Beton nicht beeinträchtigen dürfen und zum andoren gegen mechanische Beschädigungen bei der Verarbeitung ausreichend stabil sein müssen. Um die Spannungsspitzen an Oberflächenkerben abzubauen, wird nach WP 61008 vorgeschlagen, den Spannstahl mit einer Ferritschicht durch Randentkohlung zu versehen. Das führt jedoch zu dem Nachteil, daß der Spannstahl erheblich an Elastizität einbüßt und höhere Relaxation aufweist. In dieser zu inhomogener chenrscher Zusammensetzung führenden Verfahrensweise ist deshalb bisher keine Nutzung erfolgt. Die starke Neigung der Spannstähle zu wasserstoffinduzierter Spannungsrißkorrosion und verzögerten Brüchen bildet ein erhebliches Hindernis für den Einsatz von Spannstählen höherer Festigkeit und für die Erhöhung der Vorspannung. Könnte man die, Empfindlichkeit der hochfesten Stähle gegen die geschilderte Bruchart verringern, so wäre eine verbesserte Materialaus.iutzung durch Erhöhung von Festigkeit und Vorspannung mit oinem deutlichen ökonomischen Effekt verbunden.It has been proposed to preferentially use drawn wires as prestressing steels while also demonstrating that they would be more durable in special test solutions for testing stress corrosion cracking than probably hot rolled tempered steels, probably for their better surface quality. For hot-rolled and tempered prestressing steels, the development of less susceptible alloy combinations takes place (Stolte and Jäniche, lectures at the FIP Symposium, Madrid 1968). However, hoop fractures on cold-drawn as well as tempered steels are still recorded worldwide, so that the proposed measures did not prove to be radical. There are also a variety of proposals for corrosion protection of prestressing steels, which, however, also not proven, because on the one hand the corrosion protection layers must be resistant in concrete, must not adversely affect the bond with the concrete and must be sufficiently stable to the other against mechanical damage during processing. In order to reduce the stress peaks at surface notches, it is proposed according to WP 61008 to provide the prestressing steel with a ferrite layer by means of surface decarburization. However, this leads to the disadvantage that the prestressing steel loses considerable elasticity and has higher relaxation. In this procedure leading to inhomogeneous chemical composition, therefore, no use has hitherto been made. The strong tendency of the prestressing steels to hydrogen-induced stress corrosion cracking and delayed fractures constitutes a significant obstacle to the use of higher strength steels and for increasing the prestressing. If the sensitivity of the high-strength steels could be reduced in comparison with the fracture type described, an improved material utilization by increasing strength and prestressing would be associated with a significant economic effect.
In der Regel ist dio hohe Empfindlichkeit bei Spannstählen nur bis zum Zeitpunkt der abgeschlossenen Betonabbindung gegeben. Sofern der erhärtete Beton rißfrei und porenarm ist und eine ausreichende Alkalität aufweist, fjilt der Stahl über Jahre hinaus als ausreichend geschützt und beständig gegenüber Spannungsrißkorrosion. Es ist also in erster Linie notwendig, die Spannungsrißkorrosionsempfincllichkeit eines Stahles soweit zu verringern, daß er die Betonabbindephase von in der Regel wenigen Stunden ohne Schaden überdauert.As a rule, the high sensitivity of prestressing steels is only given up to the time of the completion of concrete bonding. If the hardened concrete is crack-free and low in pores and has sufficient alkalinity, the steel will suffice for years to be sufficiently protected and resistant to stress corrosion cracking. It is therefore necessary in the first place to reduce the stress corrosion cracking sensitivity of a steel to such an extent that it can survive the concrete setting phase of usually a few hours without damage.
Für Spannstahl ist nicht in erster Linie die Festigkeit, sondern mehr sind die Elastizitätseigenschaften von bestimmender Bedeutung. Es geht beim Einsatz dieser Stähle darum, daß die aufgebrachte Voι spannung über Jahrzehnte zu sichern ist, d. h., daß die Relaxation möglichst gering zu halten ist. Eine kennzeichnende Größe für eine geringe Relaxation ist zum einen eine möglichst hohe Elastizitätsgrenze und zum anderen sin möglichst hohes Verhältnis der Elastizitätsgrenze zur Zugfestigkeit. Es ist bekannt, daß unangelassener Martensit als auch kaltverfestigte Gefüge auf Grund dor hohen Anzahl freier Versetzungen eine sehr niedrige Elastizitätsgrenze und somit auch ein sehr niedriges Verhältnis der Elastizitätsgrenze zur Zugfestigkeit besitzen, das weniger als 0,0 be.ragt. Es ist weiterhin bekanri, daß Gefüge mit unangelassenem Martensit extrem empfindlich gegenüber den geschilderter, wasserstoffinduzierten veräußerten Brüchen ist. Durch eine Anlaßbehandlung des Martensits als auch des kaltverfestigten Gefüges erhält man eine Steigerung der Elastizitätsgrenze und eine starke Steigerung des Verhältnisses der Elastizitätsgrenze zur Zugfestigkeit. Für beide Größen wird bei bestimmten Anlaßtemporaturon ein Maximum erreicht, um bei weiterer Temperatursteigerung wieder abzufallen. Bezüglich der Empfindlichkeit des Stahles gegenüber verzögerten Brüchen kann man davon ausgehen, daß diese mit steigender Anlaßtemperatur stark zurückgeht und sich insbesondere nach Überschreitung der Anlaßtemperatur für das Elastizitätsgrenzenmaximum in vertretbaren Grenzen hält. Dem dargelegten technischen Stand ist zu entnehmen, daß für eine Weiterentwicklung der Spannstähle in Richtung höherer Festigkeiten, wie eine wirtschaftlichere Stahlausnutzung ermöglichen würden, ein wesentlicher technischer Widerspruch besteht, den es zu überwinden gilt. Die elastischen Eigenschaften, die bei höheren Festigkeiten noch erzielt werd n, sind als ausreichend zu betrachten, jedoch wird mit zunehmender Festigkeit des Werkstoffes sowie mit der weiteren Steigerur g der Beanspruchung die Empfindlichkeit gegenüber verzögerten Brüchen extrem überproportional gesteigert, so daß für d^n Einsatz und dio Ausnutzung höherfesterer Stähle die Sicherheit stark eingeschränkt wird.For prestressing steel is not primarily the strength, but more are the elasticity properties of decisive importance. It is the use of these steels that the applied Voi voltage is to be secured over decades, d. h., That the relaxation is to be kept as low as possible. A characteristic variable for a low relaxation is, on the one hand, the highest possible elastic limit and, on the other hand, the highest possible ratio of the elastic limit to the tensile strength. It is known that unangelassenten martensite as well as work-hardened microstructure due to the high number of free dislocations have a very low elastic limit and thus a very low ratio of elastic limit to tensile strength, the be.ragt less than 0.0 be.ragt. It is further known that structure with unangelassenten martensite is extremely sensitive to the described hydrogen-induced sold fractions. By tempering the martensite as well as the work-hardened microstructure, one obtains an increase in the elastic limit and a large increase in the ratio of the elastic limit to the tensile strength. For both variables, a maximum is reached at certain tempering temporon, to fall off again with further increase in temperature. With regard to the sensitivity of the steel to delayed fractures, it can be assumed that this decreases sharply with increasing tempering temperature and, in particular, remains within reasonable limits after exceeding the tempering temperature for the maximum elastic limit. The technical state described it can be seen that for a further development of the prestressing steels in the direction of higher strengths, such as would allow a more economical use of steel, there is a significant technical contradiction that must be overcome. The elastic properties, which are still achieved at higher strengths, are to be regarded as sufficient, but with increasing strength of the material and with the further increase in stress, the sensitivity to delayed fractures is increased extremely disproportionately, so that for use and dio exploitation of higher strength steels security is severely limited.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Das Ziel dor Erfindung liegt darin, die Beständigkeit von hochfesten Stählen, insbesondere von Spannstählen, gegenüber Spannungsrißkorrosion und verzögerten Brüchen zu verbessern.The aim of the invention is to improve the resistance of high-strength steels, in particular prestressing steels, to stress corrosion cracking and delayed fractures.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hochfesten Stahl, insbesondere Spannstahl zu entwickeln, dessen Empfindlichkeit gegenüber Spannungsrißkorrosicn und verzögerten Brüchen nicht in dem Maße wie seine Festigkeit zunimmt und scmit eine höhere Stahlausnutzung eröffnet. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der hochfeste Stahl im Kernbereich eine um 50 bis 450MPa höhere Festigkeit als seine Randzone besitzt und das Verhältnis der Elastizitätsgrenze Rpo.oi zur Zugfestigkeit Rm 0,70 bis 0,85 beträgt und dio Handschicht demgegenüber hinsichtlich des Verhältnisses Rpo.oi zu Rn, einen jeweils um 0,05 höheren Wert besitzt. Die Randschicht hat eine Stärke von mindestens 0,1 mm und nimmt maximal ein Drittel des gesamten Querschnittes ein.The invention has for its object to develop a high-strength steel, in particular prestressing steel, the sensitivity to Spannungsrißkorrosicn and delayed fractures does not increase in proportion as its strength and scmit opens up a higher steel utilization. According to the invention, the object is achieved in that the high-strength steel in the core region has a 50 to 450MPa higher strength than its edge zone and the ratio of the elastic limit Rpo.oi to the tensile strength R m 0.70 to 0.85 and the hand, in contrast, with respect to the hand Ratio Rpo.oi to R n , each having a value higher by 0.05. The surface layer has a thickness of at least 0.1 mm and occupies a maximum of one third of the entire cross section.
Die Einstellung dieser speziellen Festigkeitsverteilung des Spannstahles wird dutch Kaltverfestigung in Verbindung mit gezielter thermischer Nachbehandlung bzw. durch die Ausbildung definierter Vergütungsgefüge im Rand- und Kernbereich ermöglicht.The setting of this special strength distribution of the prestressing steel is made possible by cold work hardening in conjunction with targeted thermal aftertreatment or by the formation of defined compensation structures in the edge and core areas.
Ausführungsbeispielembodiment
Ein Spannstahl mit 8mm 0 und üblicher chemischer Zusammensetzung wurde auf eine Festigkeit oberhalb des bisher üblichen Bereiches derart differenziert verfestigt, daß der Randbereich bis in eine Tiefe von 0,3 mm auf eine niedrigere Festigkeit angelassen wird.A prestressing steel of 8 mm 2 and conventional chemical composition was strengthened to a strength higher than the hitherto conventional range so as to temper the edge portion to a depth of 0.3 mm to a lower strength.
Chornische Zusammensetzung des Stahles 0,58 %C 0,95 %Mn 1,05 %Si 0,035 % P 0,030% SChornish composition of the steel 0.58% C 0.95% Mn 1.05% Si 0.035% P 0.030% S
Festigkeitseigenschaftenstrength properties
Der Querschnittsanteil des hochfesten Kernbereiches beträgt 8b% und des weicheren Randbereiches 15% des Gesamtquerschnittes. Für den erfindungsgemäßen ausgeführten Spannsiohl ergeben sich unter Berücksichtigung der Querschnittsanteile folgende mittlere Festigkeitseigenschaften:The cross-sectional portion of the high-strength core region is 8b% and the softer edge region 15% of the total cross-section. The following average strength properties result for the stress stressing element according to the invention, taking into account the cross-sectional proportions:
somit stellt der erfindungsgemäß ausgeführte Spannstahl in seinen mittleren Festigkeitseigonschaften einen weit über dem bisherigen Festigkeitsniveau liegenden Spannstahl dar, wobei in seinem randnahen Bereich die Festigkeitseigenschaftcn etwas unter dem bisher üblichen Niveau liegen, woraus sich eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber verzögerten B'üchen ergibt. Unter Anwendung der weiter obon angegebenen Beziehung für die Errechnung der Standzeit gegen verzögerte Brüche nach Stolte ergibt sich folgender Zusammenhang: Ein üblicher Spannstahl wird bv 1600MPa Festigkeit auf 0,55Rm = 880MPa vorgespannt, hieraus ergibt sich die StandzeitThus, the prestressing steel embodied according to the invention in its average strength equations represents a prestressing steel which is far above the previous strength level, the strength properties being somewhat below the usual level in its near-edge region, resulting in a reduced sensitivity to delayed stacks. Applying the further obon specified relationship for the calculation of the service life against delayed fractures after Stolte the following relationship arises: A conventional prestressing steel bv 1600MPa strength is biased to 0.55R m = 880MPa, resulting in the life
t =t =
4,7 · To37 4.7 · To 37
Der erfindungsgemäße Spannstahl kann auf 0,55 seiner mittleren Festigkeit also auf 990MPs vorgespannt werden. Auf Grund seiner Randfestigkeit von nur 1535MPa ergibt sich eine StandzeitThe prestressing steel according to the invention can thus be prestressed to 0.55 of its average strength, ie 990MPs. Due to its edge strength of only 1535MPa results in a lifetime
4,6·10χ 4.6 · 10 χ
also sogar eine gering bessere Standzeit als für einen Spannstahl geringerer Festigkeit, obwohl eine um 12% höhere Ausnutzung des im Mittel höherfesteren Spannstahles durch die erfindungsgemäße Ausführung gegeben ist. Die Standzeit eines Spannstahles entsprechend höherer Festigkeit ohne die erfindungsgemäße weichere Randzone beträgtSo even a slightly better service life than for a prestressing steel lesser strength, although a 12% higher utilization of the medium higher-strength prestressing steel is given by the inventive design. The service life of a prestressing steel according to higher strength without the softer edge zone according to the invention
1,9 · 103*1.9 · 10 3 *
Das heißt, ohne Nutzung der Erfindung würde ein gleich hoch beanspruchter Spannstahl nur ein Viertel der Standzeit aufweisen.That is, without using the invention, a prestressing steel subjected to the same amount of stress would have only one quarter of the service life.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| DD30978187A DD267513A1 (en) | 1987-12-02 | 1987-12-02 | HIGH-STRENGTH STEEL, PARTICULARLY TENDER STEEL, WITH IMPROVED RESISTANCE TO TENSION CRACKING CORROSION AND DELAYED BRIDGES |
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Publications (1)
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| DD267513A1 true DD267513A1 (en) | 1989-05-03 |
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ID=5594529
Family Applications (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2703069A1 (en) * | 1993-03-26 | 1994-09-30 | Aciers Armature Beton | Process for the heat treatment of a reinforcement, for example for reinforced concrete and reinforcement obtained by this process |
| DE102009011118A1 (en) * | 2008-11-21 | 2010-05-27 | Muhr Und Bender Kg | Tempered spring steel, spring element and method for producing a spring element |
-
1987
- 1987-12-02 DD DD30978187A patent/DD267513A1/en not_active IP Right Cessation
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| EP2192201A1 (en) | 2008-11-21 | 2010-06-02 | Muhr und Bender KG | Hardened spring steel, spring element and method for manufacturing a spring element |
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