WärmebehandlungWS2013-Block2b - Lehrstuhl Metallische ...

Inhalt Block 2 

2 Die Wärmebehandlung der Stähle 

2.1 Der atomare Aufbau von Eisen 

2.2 Einteilung und Nomenklatur der Stähle 

2.3 Herstellung der Stähle 

2.5 Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff 

2.6 Atomare Vorgänge bei der Gefügeumwandlung 

2.6.1 Diffusionsgesteuerte Umwandlung – Ferrit- und 

Perlitbildung 

2.6.2 Diffusionslose Umwandlung – Martensitbildung 

2.6.3 Der Zwitter – Bainitbildung 

2.6.4 ZTA- und ZTU-Diagramme 

Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 63 

Idealer / realer Werkstoff 

• Eigenschaften sind unabhängig von 

– Geometrie 

– Ort 

– Richtung 

Isotropie 

• Aber Werkstoffe haben 

– Querschnittsabhängige Eigenschaften 

– Unterschiedliche Eigenschaften Oberfläche/Kern 

– Vorzugsrichtungen 

Anisotropie 

Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 64

Schmelzmetallurgie 

Rohstahlerzeugung 

Quelle: Böhler Edelstahl 


Anisotropie durch Erstarrung 

T 

S 

T 1 

T 2 

T e 

C 1 C 2 C e C L 

ab. Bei T 1 bilden sich in der Schmelze 

α-Mischkristalle der Konzentration C 1 . 

Bei weiterer Abkühlung reichert sich 

die Restschmelzen durch den Verlust 

an A-Atomen mit B-Atomen an. Der 

sich bildende α-Mischkristalle reichert 

mit sinkender Temperatur mehr B- 

Atome bis zur Konzentration C e ein. 

Schmelze mit Konzentration C L kühlt 

α 

α + β 

Bei T e kommt es zur eutektischen 

A X Erstarrung der Restschmelze. 

B 

Ergebnis ist ein Gefüge mit 

anisotropen Eigenschaften im 

Mikro- und Makrobereich 

T 1 : 

Schmelze 

α-Mischkristall C 1 

T 2 : 

Schmelze 

α-Mischkristall 

Innen C 1 , außen C 2 

T e : 

Eutektikum α + β 

α-Mischkristall 

Innen C 1 , außen C e 


Anisotropie durch Erstarrung 


Anisotropie durch Umformung 

Ferrit- Perlitzeiligkeit 

Korngrößenunterschiede durch 

unterschiedliche Umformgrade nach 

dem Rekristallisationsglühen 

Quelle: TU München 


Anisotropie durch „Verunreinigung“ 

σ-Phase in CrNi-Stahl 

Nichtmetallische Einschlüsse 

- Oxide 

- Sulfide 

- Phosphorseigerungen 

Metallische Gefügebestandteile 

- σ-Phase 

- Delta Ferrit 

- Vorlegierungen 

- Randentkohlung … 


Richtreihe Makroseigerungen 

Quelle: Böhler Edelstahl 


Normen und Richtreihen zur Beurteilung der 

Stahlqualität 

DIN 50600: Prüfung metallischer Werkstoffe; Metallographische Gefügebilder, 

Abbildungsmaßstäbe und Formate 

DIN 50602: Mikroskopische Prüfung von Edelstählen auf nichtmetallische Einschlüsse mit 

Bildreihen 

DIN EN ISO 643: Mikrophotographische Bestimmung der scheinbaren Korngröße (ASTM- 

Richtreihen) 

SEP 1520: Mikroskopische Prüfung der Carbidausbildung in Stählen mit Bildreihen 

SEP 1572: Mikroskopische Prüfung von Automatenstählen auf sulfidische nichtmetallische 

Einschlüsse mit Bildreihen 

SEP 1575: Ermittlung des Streckungsgrades von nichtmetallischen Einschlüssen in 

sulfidischer Form 

SEP 1614: Mikroskopische Prüfung von Warmarbeitsstählen 

SEP 1615: Mikroskopische und makroskopische Prüfung von Schnellarbeitsstählen auf ihre 

Karbidverteilung mit Bildreihen 


Nichtmetallische Einschlüsse 

DIN 50602:1985 

Bildreihentafel 

Es wird unterschieden in: 

SS: Sulfidische Einschlüsse in Strichform 

OA: Oxidische Einschlüsse in aufgelöster Form (Al- 

Oxide) 

OS: Oxidische Einschlüsse in Strichform (Silikate) 

OG: Oxidische Einschlüsse in globularer Form 

Bestimmung des Reinheitsgrades 

Verfahren M: 

Mindestens 200 mm² müssen ausgewertet werden. Die 

Auswertung erfolgt anhand der größten erkennbaren 

Einschlüsse. 

Verfahren K: 

Mindestens 100 mm² sind auszuwerten. Erfasst werden 

alle Einschlüsse ab einer festgelegten Größe. Diese 

werden nach Größe gewichtet und summiert. Dieser Wert 

liefert eine guten Anhaltswert für die Reinheit des Stahles. 


Korngrößenbestimmung 

Linienschnittverfahren 

Richtreihen 

Flächenzählverfahren 


Korngrößenbestimmung 

ASTM-Richtreihen 

ASTM E 19-46: Austenitkorngröße 

ASTM E 89-52: Ferritkorngröße 

Entspricht SEP1510-61 

Z = Anzahl der Körner in einem Quadratzoll bei 

100-facher Vergrößerung 

N = Richtreihennummer 

ASTM Korngrößenskala: Z=2 N-1 

Die ASTM-Korngröße Nr.1 gibt also ein Korn an, 

dessen Querschnitt bei 100-facher Vergrößerung 

ein Quadratzoll beträgt 

ASTM-Nr. 

Körner 

je inch² 

Körner 

je mm² 

Kornfläche 

in µm² 

1 1 16 62000 

2 2 32 31000 

3 4 64 15600 

4 8 128 7800 

5 16 256 3900 

6 32 512 1950 

7 64 1024 980 

8 128 2048 490 

Für Stähle: 

N5 feinkörnig 

Quelle: MPA Stuttgart 


Stahl-Eisen-Prüfblatt SEP 1520-1998 

Auszug 

1 

Ferritanteil 

Kennzahl der Reihe (Merkmalsart) 

2 

5 

Carbidgröße 

Carbidnetzwerk 

6 

Carbidzeiligkeit 

0 

Kennzahl der Stufe 

3 

5 

9 

Vergrößerung 

100:1 1000:1 200:1 100:1 


Richtreihe für das Gefüge von Warmarbeitsstahl 

nach SEP 1614 







2.4 Qualität und Spezifikation der Stähle 



Perlitbildung 





Eisen-Kohlenstoff-Diagramm 

Temperatur in C 

1.600 

A 1536°C 

δ-MK 

H B 1493°C 

N 

I 

1392°C 

1.400 

1.200 

1.000 

800 

M 

α-MK 

(Ferrit) 

600 

γ-MK 

(Austenit) 

G 911°C 

P 

Q 

O 

S 

Perlit 

723°C 

Schmelze 

0,8 2,06 

4,3 

0 1 2 3 4 5 6 7 

Kohlenstoffgehalt in Ma.-% 

Ledeburit 

γ-MK + Fe 3 C (Zementit) 

α-MK + Fe 3 C (Zementit) 

Schmelze + Fe 3 C 

E 1147°C C F 

Ac 1 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 

Zementitgehalt in % 

K 

L 

D 

metastabiles 

System 

Fe-Fe 3 C 

stabiles 

System 

Fe-C 

Linien: 

PSK → Ac 1 

GOS → Ac 3 

ES → Ac cm 

MO → Ac 2 

(Curie-Temperatur) 

Punkte: 

Eutektikum 

Eutektoid 

Peritektikum 

C 

S 

I 

STH/03- 


Phasenumwandlungen im System 

Eisen-Kohlenstoff 

stabiles Fe-C 

Diagramm 

Ferrit 

α - Eisen 

krz 

metallisch 

weich [60 HV] 

verformbar 

magnetisch [RT] 

0.02 % C [723°C] 

10 -5 % C [RT] 

+ Graphit 

C 

hexagonal 

sehr weich 

Leiter 

unmagnetisch 

Austenit 

γ − Eisen 

kfz 

metallisch 

weich 

verformbar 

nicht magnetisch 

2.06 % C [1147°C] 

0.8 % C [723°C] 

langsame Abkühlung 

(Erstarrung) 

Diffusion 

metastabiles 

Fe-Fe 3 C Diagramm 

Ferrit 

α - Eisen 

krz 

metallisch 

weich [60 HV] 

verformbar 


0.02 % C [723°C] 

10 -5 % C [RT] 

Fe 3 C 

rhomboedrisch 

intermetallisch 

hart 

+ Zementit 

[> 1200 HV] 

spröde 


instabil 

Energie 

metastabil 

stabil 

ZTU-Diagramm 

Martensit 

trz 

metallisch 

hart 

[≤ 65 HRC ca. 840 HV] 

spröde 

magnetisch 

Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie STH/03- 79 

Gefüge des Zustandsdiagramms 

Fe-Fe3C (Stahl) 

T e m p e ra tu r [°C ] 

1200 

1000 

800 

α 

600 

400 

0,8 

0 0,5 1 1,5 2 

Fe 

911 °C 

α + γ 

Ferrit 

+ 

Perlit 

γ-Mischkristalle 

(Austenit) 

Perlit 

% C 

S + γ 

γ + Sekundärzementit 

723 °C 

Perlit 

+ 

Sekundärzementit 

1147 °C 

2,06 

Ac 1 

Ferrit 

Korngrenze 

Ferrit 

0 Ma.-% C 

Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 80STH/03-




1200 

1000 

800 

α 

600 

400 

0,8 

0 0,5 1 1,5 2 

Fe 

911 °C 

α + γ 

Ferrit 

+ 

Perlit 


(Austenit) 

Perlit 

% C 

S + γ 


723 °C 

Perlit 

+ 


1147 °C 

2,06 

Ac 1 

Ferrit 

Perlit 

C16 

Ferrit - Perlit 

0,16 Ma.-% C 




1200 

1000 

800 

α 

600 

400 

0,8 

0 0,5 1 1,5 2 

Fe 

911 °C 

α + γ 

Ferrit 

+ 

Perlit 


(Austenit) 

Perlit 

% C 

S + γ 


723 °C 

Perlit 

+ 


1147 °C 

2,06 

Ac 1 

Ferrit 

Perlit 

C25 


0,25 Ma.-% C 

Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 81STH/03- 





1200 

1000 

800 

α 

600 

400 

0,8 

0 0,5 1 1,5 2 

Fe 

911 °C 

α + γ 

Ferrit 

+ 

Perlit 


(Austenit) 

Perlit 

% C 

S + γ 


723 °C 

Perlit 

+ 


1147 °C 

2,06 

Ac 1 

Ferrit 

Perlit 

C35 


0,35 Ma.-% C 




1200 

1000 

800 

α 

600 

400 

0,8 

0 0,5 1 1,5 2 

Fe 

911 °C 

α + γ 

Ferrit 

+ 

Perlit 


(Austenit) 

Perlit 

% C 

S + γ 


723 °C 

Perlit 

+ 


1147 °C 

2,06 

Ac 1 

Ferrit 

Perlit 

C45 


0,45 Ma.-% C 






1200 

1000 

800 

α 

600 

400 

0,8 

0 0,5 1 1,5 2 

Fe 

911 °C 

α + γ 

Ferrit 

+ 

Perlit 


(Austenit) 

Perlit 

% C 

S + γ 


723 °C 

Perlit 

+ 


1147 °C 

2,06 

Ac 1 

Ferrit 

Perlit 

C60 


0,60 Ma.-% C 




1200 

1000 

800 

α 

600 

400 

0,8 

0 0,5 1 1,5 2 

Fe 

911 °C 

α + γ 

Ferrit 

+ 

Perlit 


(Austenit) 

Perlit 

% C 

S + γ 


723 °C 

Perlit 

+ 


1147 °C 

2,06 

Ac 1 

Perlit 

C80 

Perlit 

0,80 Ma.-% C 






1200 

1000 

800 

α 

600 

400 

0,8 

0 0,5 1 1,5 2 

Fe 

911 °C 

α + γ 

Ferrit 

+ 

Perlit 


(Austenit) 

Perlit 

% C 

S + γ 


723 °C 

Perlit 

+ 


1147 °C 

2,06 

Ac 1 

Perlit 


C110 

Perlit - Sekundärzememtit 

1,10 Ma.-% C 




1200 

1000 

800 

α 

600 

400 

0,8 

0 0,5 1 1,5 2 

Fe 

911 °C 

α + γ 

Ferrit 

+ 

Perlit 


(Austenit) 

Perlit 

% C 

S + γ 


723 °C 

Perlit 

+ 


1147 °C 

2,06 

Ac 1 

Perlit 


C150 

Perlit - Sekundärzememtit 

1,50 Ma.-% C 




Fe-Fe 3 C (Gußeisen) 

1.600 

1.400 

1.200 

1.000 

800 

600 

0 1 2 3 4 5 6 7 


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 





1.600 

1.400 

1.200 

1.000 

800 

600 

0 1 2 3 4 5 6 7 


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 





1.600 

1.400 

1.200 

1.000 

800 

600 

0 1 2 3 4 5 6 7 


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 














Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe 3 C 

Ferrit 

Perlit 

A C3 

Temperatur 

A C1 

Zeit 

Perlit 


Perlit 

Temperatur 

A C1 

Perlit 

Zeit 




A Cm 

Perlit Sekundärzementit 

Temperatur 

A C1 

Fe 3 C 

Zeit 

Fe 3 C 

Perlit 

Diffusionsgesteuerte Umwandlungsprozesse 

Perlitbildung 

Perlit 

Perlit 

fein(st) lamellar 

(Sorbit) 

Wachstumsrichtung 

C 

Diffusionsweg 

x = D ⋅t 

rosettenförmig 

(Troostit) 

Bainit 

(Zwischenstufe) 

d(Fe 3 C) 

d(α-Fe) 

obere Bainitstufe 

(feinnadeliger Bainit) 

untere Bainitstufe 

(grobnadeliger oder globulitischer Bainit) 



STH/03-










Perlitbildung 




Gitterstrukturen des Eisens 

Fe 

C 

kubischraumzentriertes Gitter (krz) 

-Eisen (bis 911°C) 

Ferrit 

maximale Löslichkeit für C 0,02% 

kubischflächenzentriertes Gitter (kfz) 

-Eisen (911 - 1396°C) 

Austenit 

maximale Löslichkeit für C 2,06% 

tetragonales Gitter 

Martensit 

bildet sich bei schneller Abkühlung von Austenit 

Kohlenstoff in Zwangslösung 

große Spannungen, hohe Härte 


Elementarzellen Eisen/Stahl 

Austenit mit C-Atomen auf 

Zwischengitterplätzen 

Abschrecken (γ → α) 

1 Å 

0,4 Å 

1,53 Å 

Austenit Ferrit C-Atom 

a 

a 

Folgen: 

- Zwischengitterplatzgröße wird verringert 

- Fe-Atome müssen Lage ändern 

- Gitterverzerrung 

- hohe Härte 

Martensit 

a m 

a 

a 

c m 

kfz 

a = 3.56 Å 

Ångström (Å) = 10 -10 m = 0,1 nm 

krz 

a = 2.86 Å 

C-Atom 

auf Oktaederlücke 

trz 

a m = 2.86 - 0.013 % C [Å] 

c m = 2.86 + 0.116 % C [Å] 

STH/03- 


Kinematik der Martensitbildung 

z γ 

Orientierungsbeziehungen 

30° 

a γ 

Kurdjumov-Sachs: 

(0 1 1) α‘ ║ (1 1 1) γ 

bis ca. 1,1% C _ _ _ 

[1 1 1] α‘ ║ [1 0 1] γ 

y γ 

Nishiyama-Wassermann: (0 1 1) α‘ ║ (1 1 1) γ 

ab 1,1% C _ _ _ 

[0 1 1] α‘ ║ [1 1 2] γ 

a γ /√2 a γ /√2 

x γ 

[112]γ 

z α‘ 

Dehnung in z-Richtung 

35° 

c α‘ 

Stauchung in x und y- 

Richtung 

a α‘ 

a α‘ 

x α‘ 

y α‘ 


Mechanismen der Martensitbildung 

Charakteristika der martensitischen Umwandlung 

- makroskopisch invariante Ebene (i. A. hoch indizierte 

Habitusebene) 

- zwischen Matrix und Martensit besteht eine feste 

Orientierungsbeziehung 

- diffusionslose Umwandlung (militärische Umwandlung) 

- sehr schneller Ablauf 

STH/03- 

Austenitgitter 

(2 EZ kfz) 

C auf 

Oktaederlücken 

Gleitprozesse 

T ↑ 

Martensitgitter 

(trz) 

Deformation 

T ↓ 

Scherung 

Zwillingsbildung 


Kinematik der Martensitbildung 

Temperatur 

400 

°C 

M s 

200 

M f 

100 

- diskontinuierliche (stufenweise) 

Phasenumwandlung 

- die Martensitnadeln klappen innerhalb eines 

Austenitkorns nacheinander um; man spricht 

von Martensit 1., 2. … Ordnung 

- das Umklappen erfolgt mit annähender 

Schallgeschwindigkeit 

0 

0 20 40 60 % 100 

Martensitanteil 

Austenitkorn 

Ablauf der 

Martensitbildung 


STH/03-










Perlitbildung 




Bainitbildung - Mechanismus 

Bainit entsteht durch Umklappen des Austenits in Ferrit und Bildung feinst verteilter 

Karbidausscheidungen 

Man unterscheidet oberen Bainit: bei hohen Temperaturen gebildet; ähnelt 

feinstlamellaren Perlit 

und unteren Bainit: bei niedrigen Temperaturen gebildet; ähnelt angelassenem 

Martensit 


Bainitbildung 

nach Takahashi und Bhadeshia 

Gefüge: Keehan and Karlsson 


Bainitbildung 

%C 

C γ+ 

Carbid 

C γ 

C α 

X [nm] 

γ+ 

α 

α 

α 

α 

Bainitnadel 


Bainit 

Einfluss der Umwandlungstemperatur 

41 Cr 4 

620°C 

Ferrit und Perlit 

(feinlamellar) 

515°C 

Perlit (feinlamellar, schwarz) 

und Bainit 

400°C 

Bainit 


Bainit 

Einfluss der Umwandlungsdauer 

41 Cr 4 

20 s 40 s 1000 s 

Bainit dunkel; 

hell: Austenit, der beim Abschrecken Martensit gebildet hat 











Perlitbildung 




Das Austenitisieren – ZTA Diagramme 

Temperatur in °C 

1.300 

1.200 

1.100 

1.000 

Aufheizgeschwindigkeit in K/s 

2400 10 0,05 

homogener Austenit 

Bei der Austenitisierung finden folgende 

diffusionsbestimmte Vorgänge statt: 

- Zementit (Fe 3 C) zerfällt und Kohlenstoff 

wird frei. 

- Die Eisenatome im krz-Gitter (Ferrit) 

ordnen sich neu zum kfz-Gitter (Austenit) 

an (Allotropie). 

- der freigewordene Kohlenstoff wird im 

Austenit (interstitiell) gelöst. 

900 

Ac 3 

Gefügeaufbau 

Ferrit 

800 

Ac 1 

Austenit 

Ferrit + Perlit 

Perlit 

700 

0 1 10 100 1.000 10.000 

Zeit in s 


ZTU-Diagramme 

42 CrMo 4 


ZTU-Diagramme 

C 45 

Für kontinuierliche Abkühlung 

Für isotherme Umwandlung 

Quelle: Stahlinformationszentrum 


ZTU-Diagramme 

2,0 

1,5 

0,45 

1,0 

1000 

800 

A C3 

0,5 

0 

1000 

Temperatur (°C) 

600 

400 

200 

A C1 

M S 

F 

P 

B 

(Zw) 

800 

600 

400 


0 

10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 

Zeit (s) 

• ZTU-Diagramme beschreiben die Gefügeausbildung bei realer/technischer Abkühlung 

• Im Gegensatz zum Phasendiagramm treten auch metastabile Gefügezustände auf 

• Für „unendlich“ lange Abkühlzeiten entsprechen die Umwandlungstemperaturen den 

Temperaturen im Fe-Fe 3 C-Diagramm 


∞ 

200 

0 

Nach Hougardy 

ZTU-Diagramm 3D 

1000 

F 

K 

P 

800 

B 

600 

400 

200 

0 

0,4 

0,8 

M 

1,2 

1,6 

1 

2,0 10 -1 

10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 


nach Hougardy

ZTU-Diagramme – Einflussgrößen 


ZTU-Diagramme - Legierungsgehalt 


1000 

900 

800 

700 

600 

500 

400 

300 

200 

100 

M S 

A 

M 

F 

B 

P 

F 

B 

P 

0 

10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 

Zeit (s) 

10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 

Zeit (min) 

10 0 10 1 10 2 

Zeit (h) 

B 

P 

A C3 

A C1 

C45 

42CrMo4 

X45NiCrMo4 


ZTU-Diagramm - Gefüge 


1000 

900 

800 

700 

600 

500 

400 

300 

200 

100 

A 

M S 

M 

0 

10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 

Zeit (s) 

F 

B 

42CrMo4 

P 

A C3 

A C1 

Bildnachweis: Dietrich Horstmann, Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff, Verlag Stahleisen 


Härteprozesse im ZTU-Diagramm 

A C3 

Temperatur 

M S 

Härten 

A C1 

P 

F 

B 

(Zw) 

Patentieren 

Warmbadhärten 

Normalglühen 

Gebrochenes 

Härten 

Bainitisieren 

Zeit

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