Wärmebehandlung von Stahl - Stirnabschreckversuch nach DIN EN ...

Praktikum Wärmebehandlung von Stahl
Beim Härten von Stahl unterscheidet man die Begriffe Einhärtung und Aufhärtung. Wenn bei
einem Stahl eine kritische Abschreckgeschwindigkeit überschritten wird, kommt es zur
Martensitbildung. Dieser Vorgang wird als Aufhärten bezeichnet. Das Ausmaß der
Martensitbildung –und damit die Aufhärtung- sind wesentlich vom Kohlenstoffgehalt des
Stahls abhängig. Die Einhärtung hingegen definiert den Härteverlauf über die
Werkstücklänge, d.h. den Härtewert in Abhängigkeit vom Abstand zum Ort der größten
Abschreckung. Der Gehalt an Legierungselementen hat wesentlichen Einfluss auf die
erforderliche kritische Abkühlgeschwindigkeit und somit auf die Einhärtung eines einseitig
abgeschreckten Werkstückes. Das führt dazu, dass zwei Stähle mit gleichem
Kohlenstoffgehalt und unterschiedlichem Anteil an Legierungselementen zwar eine
vergleichbare Aufhärtung, jedoch völlig unterschiedliche Einhärtung besitzen können.
Metallphysikalisch kann man die Mechanismen der Aufhärtung und der Einhärtung wie folgt
verstehen: mit der Umwandlung des γ-Mischkristalls in den α-Mischkristall sinkt die
interstitielle Kohlenstofflöslichkeit stark ab. Dies liegt in der unterschiedlichen Gitterstruktur
von γ- bzw. α-Mischkristall begründet. Verläuft die Abkühlung im Gleichgewicht, das heißt
unendlich langsam, so wird mit der abnehmenden Löslichkeit der Kohlenstoff als Grafit
ausgeschieden. Bei rascher Abkühlung jedoch verbleiben die Kohlenstoffatome in den
Zwischenräumen des α-Mischkristallgitters. Das entstehende Gitter, der Martensit, ist daher
gegenüber dem Gleichgewichts-α-Mischkristall (krz) tetragonal verspannt, was in einer
Härtesteigerung resultiert.
Eine Härteänderung ist also vom Vermögen der Kohlenstoffatome abhängig, entsprechend
den Gleichgewichtsbedingungen zu diffundieren. Dies kann einerseits durch eine
entsprechend schnelle Abkühlung, andererseits aber auch durch Zulegieren von Elementen,
die das Diffusionsvermögen des Kohlenstoffes beeinträchtigen, erreicht werden. Die
Zulegierung von Elementen spielt dann für die Einhärtung eine wichtige Rolle, wenn die
Geometrie des stählernen Werkstückes keine gleichmäßig hohen Abkühlgeschwindigkeiten
über den Werkstückquerschnitt erlauben. Die wichtigsten Legierungselemente zur Erhöhung
der Durchhärtbarkeit von Stählen sind Mangan, Chrom, Molybdän und Nickel.
Die Einhärtbarkeit von Stählen lässt sich auch anderweitig beurteilen. So bezeichnet man bei
gegebener Stahlzusammensetzung den Durchmesser eines Zylinderstabes, der bei rascher
Abkühlung auf Raumtemperatur noch 50 Vol.% Martensit enthält, als ideal kritischen
Durchmesser Φ. Bei unlegierten Stählen gilt in guter Näherung:
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