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Einfluss einer hohen Kaltumformung auf das Loch- und Spannungsrisskorrosionsverhalten nichtrostender Stahldrähte im Hinblick auf die Anwendung im Spannbetonbau : Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 17213 N/1
(2014) Rauscher, Thomas; Nürnberger, Ulf
Hochfeste nichtrostende Stähle wurden unter kritischen Bedingungen des Spannbetonbaus untersucht. Bei den untersuchten Werkstoffen handelt es sich einerseits um austenitsche Stähle, andererseits um Duplex-Stähle (austenitisch-ferritisch). Die Zugfestigkeiten der untersuchten nichtrostenden Werkstoffe liegen in einem Bereich von 990 bis 2125N/mm², was durch eine starke Kaltumformung der Drähte erreicht wurde. Nichtrostende Stähle besitzen wegen der niedrigen Elastizitätsgrenze eine höhere Anfangsrelaxation als herkömmliche Spannstähle. Es konnte gezeigt werden, dass wegen des ausgeprägten Verfestigungsverhaltens dieser Nachteil durch ein zusätzliches Nachspannen kompensiert werden kann. Die Feststellung des Lochkorrosionsverhaltens erfolgte mittels potentiodynamischer Messung des Lochkorrosionspotentials. Bei den metastabilen austenitischen Stählen und den Duplexstählen besteht zwar die Tendenz, dass das Lochkorrosionsverhalten mit zunehmender Kaltumformung geringfügig ungünstiger wird. Die Lochkorrosionsbeständigkeit verbleibt jedoch auf einem hohen Niveau. Die nichtrostenden Stähle weisen auch nach starker Kaltumformung, also bei den höchsten untersuchten Festigkeiten, ein deutlich besseres Lochkorrosionsverhalten als herkömmliche Spannstähle vergleichbarer Festigkeit auf. Zur Feststellung der Anfälligkeit gegenüber chloridinduzierter Spannungsrisskorrosion wurden isotherme Standzeitversuche an Bügelproben in chloridgesättigten Elektrolyten bei unterschiedlichen pH-Werten und Temperaturen durchgeführt. Vor allem ansteigende Temperaturen und fallende pH-Werte, tendenzmäßig aber auch hohe Kaltumformungen, führen zu einer Abnahme der Beständigkeit gegenüber chloridinduzierter Spannungsrisskorrosion. Die Beständigkeit gegenüber wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion wurde mittels FIP-Versuchen in hochkonzentrierter Ammoniumthiocyanatlösung ermittelt. Anhand von mikroelektrochemischen Versuchen konnte gezeigt werden, dass die verformungsinduzierten Martensitbereiche die korrosionsanfälligere Gefügephase bei metastabilen Austeniten darstellen. Bei den Duplex-Stählen ist die ferritische Phase anfälliger gegenüber Korrosion. Unter Berücksichtigung aller Ergebnisse gilt folgendes: Die gefügestabilen Austenite 1.4401 und 1.4571, der Duplexstahl 1.4462 sowie der Manganaustenit P558 zeigen gegenüber allen untersuchten Korrosionsarten ein durchwegs sehr gutes und erheblich besseres Korrosionsverhalten als herkömmliche Spannstähle. Bei dem Stahl 1.4462 sollte die Festigkeit, schon wegen der geringeren Verformungskennwerte bei zu hohen Kaltverfestigungen, allerdings auf Werte deutlich unter 2000N/mm² begrenzt werden. Die metastabilen Stähle 1.4301 und 1.4310 besitzen gegenüber den vorgenannten Stählen eine geringere Beständigkeit gegenüber chloridinduzierter Lochkorrosion und sind somit nur mit Einschränkung für einen Einsatz im Spannbetonbau zu empfehlen. Der Duplexstahl 1.4362 liegt hinsichtlich seiner Beständigkeit gegenüber wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion nur im Bereich der un- bzw. niederlegierten Spannstähle und ist somit für eine Anwendung im Spannbetonbau nicht zu empfehlen. Der Mangan-Austenit P560 und der nickelärmere Duplexstahl 1.4062 sind wegen ihrer geringen Beständigkeit gegenüber chloridinduzierter Spannungsrisskorrosion ungeeignet für einen Einsatz im Spannbetonbau.
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Einfluss einer hohen Kaltumformung auf das Loch- und Spannungsrisskorrosionsverhalten nichtrostender Stahldrähte im Hinblick auf eine Anwendung im Spannbetonbau
(2016) Rauscher, Thomas; Nürnberger, Ulf (Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. h.c.)
In den vergangenen 60 Jahren sind immer wieder korrosionsbedingte Schäden an Spannbetonkonstruktionen aufgetreten, die zum schwerwiegenden Versagen von Bauteilen geführt haben. Aus bauingenieurmäßiger Sicht waren meist Planungs- und Ausführungsfehler die Ursache dafür, dass Spannstähle Brüche infolge wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion erlitten. Um Schäden zu vermeiden wurden die Spannstähle zusätzlich vor Korrosion geschützt. Zum Einsatz kamen hierbei metallische Überzüge und Epoxidharzbeschichtungen. Diese Schutzsysteme brachten allerdings nicht die erforderliche Sicherheit. Der Einsatz von hochfesten nichtrostenden Stahldrähten als Zugglieder im Spannbetonbau könnte somit eine mögliche Alternative bieten, da diese Stähle von sich aus einen deutlich höheren Korrosionswiderstand als unlegierte und niedriglegierte Spannstähle aufweisen. Nichtrostende Stähle werden bereits als Betonstähle mit niedrigeren Festigkeiten in hoch korrosionsbeanspruchten Bauteilen und in Form von hochfesten Seilen und Litzen unter atmosphärischen Bedingungen im Hoch- und Brückenbau erfolgreich eingesetzt. In der nun vorliegenden Arbeit wurde das Werkstoffverhalten von hochfesten nichtrostenden Stahldrähten unter kritischen Bedingungen des Spannbetonbaus ermittelt, um ihre Eignung als Spannstähle festzustellen. Bei den untersuchten Werkstoffen handelt es sich um austenitsche und um Duplex-Stähle. Die Zugfestigkeiten der untersuchten nichtrostenden Werkstoffe liegen in einem Bereich von 990 bis 2125 N/mm², was durch eine starke Kaltumformung der Drähte erreicht wurde. Nichtrostende Stähle (z.B. 1.4462) mit Festigkeiten ≥2000 N/mm² weisen allerdings für Spannstähle nicht ausreichende Verformungskennwerte auf. Wegen ihrer niedrigen Elastizitätsgrenze besitzen nichtrostende Stähle generell eine höhere Anfangsrelaxation als herkömmliche Spannstähle. Es konnte gezeigt werden, dass wegen des ausgeprägten Verfestigungsverhaltens dieser Nachteil durch ein zusätzliches Nachspannen kompensiert werden kann. Neben der mechanisch-technologischen Werkstoffcharakterisierung stand das Korrosionsverhalten der nichtrostenden Stähle im Mittelpunkt der durchgeführten Untersuchungen. Es wurde die Beständigkeit der Stähle hinsichtlich Lochkorrosion, chloridinduzierter Spannungsrisskorrosion und wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion unter für Spannstähle kritischen Bedingungen ermittelt. Unter Berücksichtigung aller Untersuchungen sind die gefügestabilen Nickel-Molybdän-Austenite 1.4401 und 1.4571 für einen Einsatz als Spannstahl geeignet. Der Mangan-Austenit P558 besitzt bei einer Festigkeit von etwa 1900 N/mm² immer noch ausreichend hohe Verformungskennwerte und ist aufgrund seiner hohen Beständigkeit hinsichtlich jeder Korrosionsart für einen Einsatz im Spannbetonbau sehr gut geeignet. Der Duplex-Stahl 1.4462 weist bis zu einer Festigkeit von etwa 1700 N/mm² noch ausreichende Verformungskennwerte sowie eine sehr hohe Beständigkeit hinsichtlich aller Korrosionsarten auf. Er ist bis zu dieser Festigkeit bestens als Spannstahl geeignet. Höhere Festigkeiten sind aufgrund seiner dann sinkenden Korrosionsbeständigkeit nicht zu empfehlen. Metastabile Chrom-Nickel-Austenite (1.4301 und 1.4310) weisen nur eine geringe Lochkorrosionsbeständigkeit auf. Der Chrom-Mangan-Austenit P560 und der Duplex-Stahl 1.4062 sind anfällig gegenüber chloridinduzierter Spannungsrisskorrosion und der Duplex-Stahl 1.4362 weist nur eine begrenzte Beständigkeit gegenüber wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion auf. Somit sollten diese Stähle nicht als Spannstähle eingesetzt werden.