WärmebehandlungWS2013-Block2b - Lehrstuhl Metallische ...
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Inhalt Block 2<br />
2 Die Wärmebehandlung der Stähle<br />
2.1 Der atomare Aufbau von Eisen<br />
2.2 Einteilung und Nomenklatur der Stähle<br />
2.3 Herstellung der Stähle<br />
2.5 Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff<br />
2.6 Atomare Vorgänge bei der Gefügeumwandlung<br />
2.6.1 Diffusionsgesteuerte Umwandlung – Ferrit- und<br />
Perlitbildung<br />
2.6.2 Diffusionslose Umwandlung – Martensitbildung<br />
2.6.3 Der Zwitter – Bainitbildung<br />
2.6.4 ZTA- und ZTU-Diagramme<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 63<br />
Idealer / realer Werkstoff<br />
• Eigenschaften sind unabhängig von<br />
– Geometrie<br />
– Ort<br />
– Richtung<br />
Isotropie<br />
• Aber Werkstoffe haben<br />
– Querschnittsabhängige Eigenschaften<br />
– Unterschiedliche Eigenschaften Oberfläche/Kern<br />
– Vorzugsrichtungen<br />
Anisotropie<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 64
Schmelzmetallurgie<br />
Rohstahlerzeugung<br />
Quelle: Böhler Edelstahl<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 65<br />
Anisotropie durch Erstarrung<br />
T<br />
S<br />
T 1<br />
T 2<br />
T e<br />
C 1 C 2 C e C L<br />
ab. Bei T 1 bilden sich in der Schmelze<br />
α-Mischkristalle der Konzentration C 1 .<br />
Bei weiterer Abkühlung reichert sich<br />
die Restschmelzen durch den Verlust<br />
an A-Atomen mit B-Atomen an. Der<br />
sich bildende α-Mischkristalle reichert<br />
mit sinkender Temperatur mehr B-<br />
Atome bis zur Konzentration C e ein.<br />
Schmelze mit Konzentration C L kühlt<br />
α<br />
α + β<br />
Bei T e kommt es zur eutektischen<br />
A X Erstarrung der Restschmelze.<br />
B<br />
Ergebnis ist ein Gefüge mit<br />
anisotropen Eigenschaften im<br />
Mikro- und Makrobereich<br />
T 1 :<br />
Schmelze<br />
α-Mischkristall C 1<br />
T 2 :<br />
Schmelze<br />
α-Mischkristall<br />
Innen C 1 , außen C 2<br />
T e :<br />
Eutektikum α + β<br />
α-Mischkristall<br />
Innen C 1 , außen C e<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 66
Anisotropie durch Erstarrung<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 67<br />
Anisotropie durch Umformung<br />
Ferrit- Perlitzeiligkeit<br />
Korngrößenunterschiede durch<br />
unterschiedliche Umformgrade nach<br />
dem Rekristallisationsglühen<br />
Quelle: TU München<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 68
Anisotropie durch „Verunreinigung“<br />
σ-Phase in CrNi-Stahl<br />
Nichtmetallische Einschlüsse<br />
- Oxide<br />
- Sulfide<br />
- Phosphorseigerungen<br />
<strong>Metallische</strong> Gefügebestandteile<br />
- σ-Phase<br />
- Delta Ferrit<br />
- Vorlegierungen<br />
- Randentkohlung …<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 69<br />
Richtreihe Makroseigerungen<br />
Quelle: Böhler Edelstahl<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 70
Normen und Richtreihen zur Beurteilung der<br />
Stahlqualität<br />
DIN 50600: Prüfung metallischer Werkstoffe; Metallographische Gefügebilder,<br />
Abbildungsmaßstäbe und Formate<br />
DIN 50602: Mikroskopische Prüfung von Edelstählen auf nichtmetallische Einschlüsse mit<br />
Bildreihen<br />
DIN EN ISO 643: Mikrophotographische Bestimmung der scheinbaren Korngröße (ASTM-<br />
Richtreihen)<br />
SEP 1520: Mikroskopische Prüfung der Carbidausbildung in Stählen mit Bildreihen<br />
SEP 1572: Mikroskopische Prüfung von Automatenstählen auf sulfidische nichtmetallische<br />
Einschlüsse mit Bildreihen<br />
SEP 1575: Ermittlung des Streckungsgrades von nichtmetallischen Einschlüssen in<br />
sulfidischer Form<br />
SEP 1614: Mikroskopische Prüfung von Warmarbeitsstählen<br />
SEP 1615: Mikroskopische und makroskopische Prüfung von Schnellarbeitsstählen auf ihre<br />
Karbidverteilung mit Bildreihen<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 71<br />
Nichtmetallische Einschlüsse<br />
DIN 50602:1985<br />
Bildreihentafel<br />
Es wird unterschieden in:<br />
SS: Sulfidische Einschlüsse in Strichform<br />
OA: Oxidische Einschlüsse in aufgelöster Form (Al-<br />
Oxide)<br />
OS: Oxidische Einschlüsse in Strichform (Silikate)<br />
OG: Oxidische Einschlüsse in globularer Form<br />
Bestimmung des Reinheitsgrades<br />
Verfahren M:<br />
Mindestens 200 mm² müssen ausgewertet werden. Die<br />
Auswertung erfolgt anhand der größten erkennbaren<br />
Einschlüsse.<br />
Verfahren K:<br />
Mindestens 100 mm² sind auszuwerten. Erfasst werden<br />
alle Einschlüsse ab einer festgelegten Größe. Diese<br />
werden nach Größe gewichtet und summiert. Dieser Wert<br />
liefert eine guten Anhaltswert für die Reinheit des Stahles.<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 72
Korngrößenbestimmung<br />
Linienschnittverfahren<br />
Richtreihen<br />
Flächenzählverfahren<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 73<br />
Korngrößenbestimmung<br />
ASTM-Richtreihen<br />
ASTM E 19-46: Austenitkorngröße<br />
ASTM E 89-52: Ferritkorngröße<br />
Entspricht SEP1510-61<br />
Z = Anzahl der Körner in einem Quadratzoll bei<br />
100-facher Vergrößerung<br />
N = Richtreihennummer<br />
ASTM Korngrößenskala: Z=2 N-1<br />
Die ASTM-Korngröße Nr.1 gibt also ein Korn an,<br />
dessen Querschnitt bei 100-facher Vergrößerung<br />
ein Quadratzoll beträgt<br />
ASTM-Nr.<br />
Körner<br />
je inch²<br />
Körner<br />
je mm²<br />
Kornfläche<br />
in µm²<br />
1 1 16 62000<br />
2 2 32 31000<br />
3 4 64 15600<br />
4 8 128 7800<br />
5 16 256 3900<br />
6 32 512 1950<br />
7 64 1024 980<br />
8 128 2048 490<br />
Für Stähle:<br />
N5 feinkörnig<br />
Quelle: MPA Stuttgart<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 74
Stahl-Eisen-Prüfblatt SEP 1520-1998<br />
Auszug<br />
1<br />
Ferritanteil<br />
Kennzahl der Reihe (Merkmalsart)<br />
2<br />
5<br />
Carbidgröße<br />
Carbidnetzwerk<br />
6<br />
Carbidzeiligkeit<br />
0<br />
Kennzahl der Stufe<br />
3<br />
5<br />
9<br />
Vergrößerung<br />
100:1 1000:1 200:1 100:1<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 75<br />
Richtreihe für das Gefüge von Warmarbeitsstahl<br />
nach SEP 1614<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 76
Inhalt Block 2<br />
2 Die Wärmebehandlung der Stähle<br />
2.1 Der atomare Aufbau von Eisen<br />
2.2 Einteilung und Nomenklatur der Stähle<br />
2.3 Herstellung der Stähle<br />
2.4 Qualität und Spezifikation der Stähle<br />
2.6 Atomare Vorgänge bei der Gefügeumwandlung<br />
2.6.1 Diffusionsgesteuerte Umwandlung – Ferrit- und<br />
Perlitbildung<br />
2.6.2 Diffusionslose Umwandlung – Martensitbildung<br />
2.6.3 Der Zwitter – Bainitbildung<br />
2.6.4 ZTA- und ZTU-Diagramme<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 77<br />
Eisen-Kohlenstoff-Diagramm<br />
Temperatur in C<br />
1.600<br />
A 1536°C<br />
δ-MK<br />
H B 1493°C<br />
N<br />
I<br />
1392°C<br />
1.400<br />
1.200<br />
1.000<br />
800<br />
M<br />
α-MK<br />
(Ferrit)<br />
600<br />
γ-MK<br />
(Austenit)<br />
G 911°C<br />
P<br />
Q<br />
O<br />
S<br />
Perlit<br />
723°C<br />
Schmelze<br />
0,8 2,06<br />
4,3<br />
0 1 2 3 4 5 6 7<br />
Kohlenstoffgehalt in Ma.-%<br />
Ledeburit<br />
γ-MK + Fe 3 C (Zementit)<br />
α-MK + Fe 3 C (Zementit)<br />
Schmelze + Fe 3 C<br />
E 1147°C C F<br />
Ac 1<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100<br />
Zementitgehalt in %<br />
K<br />
L<br />
D<br />
metastabiles<br />
System<br />
Fe-Fe 3 C<br />
stabiles<br />
System<br />
Fe-C<br />
Linien:<br />
PSK → Ac 1<br />
GOS → Ac 3<br />
ES → Ac cm<br />
MO → Ac 2<br />
(Curie-Temperatur)<br />
Punkte:<br />
Eutektikum<br />
Eutektoid<br />
Peritektikum<br />
C<br />
S<br />
I<br />
STH/03-<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 78
Phasenumwandlungen im System<br />
Eisen-Kohlenstoff<br />
stabiles Fe-C<br />
Diagramm<br />
Ferrit<br />
α - Eisen<br />
krz<br />
metallisch<br />
weich [60 HV]<br />
verformbar<br />
magnetisch [RT]<br />
0.02 % C [723°C]<br />
10 -5 % C [RT]<br />
+ Graphit<br />
C<br />
hexagonal<br />
sehr weich<br />
Leiter<br />
unmagnetisch<br />
Austenit<br />
γ − Eisen<br />
kfz<br />
metallisch<br />
weich<br />
verformbar<br />
nicht magnetisch<br />
2.06 % C [1147°C]<br />
0.8 % C [723°C]<br />
langsame Abkühlung<br />
(Erstarrung)<br />
Diffusion<br />
metastabiles<br />
Fe-Fe 3 C Diagramm<br />
Ferrit<br />
α - Eisen<br />
krz<br />
metallisch<br />
weich [60 HV]<br />
verformbar<br />
magnetisch [RT]<br />
0.02 % C [723°C]<br />
10 -5 % C [RT]<br />
Fe 3 C<br />
rhomboedrisch<br />
intermetallisch<br />
hart<br />
+ Zementit<br />
[> 1200 HV]<br />
spröde<br />
magnetisch [RT]<br />
instabil<br />
Energie<br />
metastabil<br />
stabil<br />
ZTU-Diagramm<br />
Martensit<br />
trz<br />
metallisch<br />
hart<br />
[≤ 65 HRC ca. 840 HV]<br />
spröde<br />
magnetisch<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie STH/03- 79<br />
Gefüge des Zustandsdiagramms<br />
Fe-Fe3C (Stahl)<br />
T e m p e ra tu r [°C ]<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
α<br />
600<br />
400<br />
0,8<br />
0 0,5 1 1,5 2<br />
Fe<br />
911 °C<br />
α + γ<br />
Ferrit<br />
+<br />
Perlit<br />
γ-Mischkristalle<br />
(Austenit)<br />
Perlit<br />
% C<br />
S + γ<br />
γ + Sekundärzementit<br />
723 °C<br />
Perlit<br />
+<br />
Sekundärzementit<br />
1147 °C<br />
2,06<br />
Ac 1<br />
Ferrit<br />
Korngrenze<br />
Ferrit<br />
0 Ma.-% C<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 80STH/03-
Gefüge des Zustandsdiagramms<br />
Fe-Fe3C (Stahl)<br />
T e m p e ra tu r [°C ]<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
α<br />
600<br />
400<br />
0,8<br />
0 0,5 1 1,5 2<br />
Fe<br />
911 °C<br />
α + γ<br />
Ferrit<br />
+<br />
Perlit<br />
γ-Mischkristalle<br />
(Austenit)<br />
Perlit<br />
% C<br />
S + γ<br />
γ + Sekundärzementit<br />
723 °C<br />
Perlit<br />
+<br />
Sekundärzementit<br />
1147 °C<br />
2,06<br />
Ac 1<br />
Ferrit<br />
Perlit<br />
C16<br />
Ferrit - Perlit<br />
0,16 Ma.-% C<br />
Gefüge des Zustandsdiagramms<br />
Fe-Fe3C (Stahl)<br />
T e m p e ra tu r [°C ]<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
α<br />
600<br />
400<br />
0,8<br />
0 0,5 1 1,5 2<br />
Fe<br />
911 °C<br />
α + γ<br />
Ferrit<br />
+<br />
Perlit<br />
γ-Mischkristalle<br />
(Austenit)<br />
Perlit<br />
% C<br />
S + γ<br />
γ + Sekundärzementit<br />
723 °C<br />
Perlit<br />
+<br />
Sekundärzementit<br />
1147 °C<br />
2,06<br />
Ac 1<br />
Ferrit<br />
Perlit<br />
C25<br />
Ferrit - Perlit<br />
0,25 Ma.-% C<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 81STH/03-<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 82STH/03-
Gefüge des Zustandsdiagramms<br />
Fe-Fe3C (Stahl)<br />
T e m p e ra tu r [°C ]<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
α<br />
600<br />
400<br />
0,8<br />
0 0,5 1 1,5 2<br />
Fe<br />
911 °C<br />
α + γ<br />
Ferrit<br />
+<br />
Perlit<br />
γ-Mischkristalle<br />
(Austenit)<br />
Perlit<br />
% C<br />
S + γ<br />
γ + Sekundärzementit<br />
723 °C<br />
Perlit<br />
+<br />
Sekundärzementit<br />
1147 °C<br />
2,06<br />
Ac 1<br />
Ferrit<br />
Perlit<br />
C35<br />
Ferrit - Perlit<br />
0,35 Ma.-% C<br />
Gefüge des Zustandsdiagramms<br />
Fe-Fe3C (Stahl)<br />
T e m p e ra tu r [°C ]<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
α<br />
600<br />
400<br />
0,8<br />
0 0,5 1 1,5 2<br />
Fe<br />
911 °C<br />
α + γ<br />
Ferrit<br />
+<br />
Perlit<br />
γ-Mischkristalle<br />
(Austenit)<br />
Perlit<br />
% C<br />
S + γ<br />
γ + Sekundärzementit<br />
723 °C<br />
Perlit<br />
+<br />
Sekundärzementit<br />
1147 °C<br />
2,06<br />
Ac 1<br />
Ferrit<br />
Perlit<br />
C45<br />
Ferrit - Perlit<br />
0,45 Ma.-% C<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 83STH/03-<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 84STH/03-
Gefüge des Zustandsdiagramms<br />
Fe-Fe3C (Stahl)<br />
T e m p e ra tu r [°C ]<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
α<br />
600<br />
400<br />
0,8<br />
0 0,5 1 1,5 2<br />
Fe<br />
911 °C<br />
α + γ<br />
Ferrit<br />
+<br />
Perlit<br />
γ-Mischkristalle<br />
(Austenit)<br />
Perlit<br />
% C<br />
S + γ<br />
γ + Sekundärzementit<br />
723 °C<br />
Perlit<br />
+<br />
Sekundärzementit<br />
1147 °C<br />
2,06<br />
Ac 1<br />
Ferrit<br />
Perlit<br />
C60<br />
Ferrit - Perlit<br />
0,60 Ma.-% C<br />
Gefüge des Zustandsdiagramms<br />
Fe-Fe3C (Stahl)<br />
T e m p e ra tu r [°C ]<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
α<br />
600<br />
400<br />
0,8<br />
0 0,5 1 1,5 2<br />
Fe<br />
911 °C<br />
α + γ<br />
Ferrit<br />
+<br />
Perlit<br />
γ-Mischkristalle<br />
(Austenit)<br />
Perlit<br />
% C<br />
S + γ<br />
γ + Sekundärzementit<br />
723 °C<br />
Perlit<br />
+<br />
Sekundärzementit<br />
1147 °C<br />
2,06<br />
Ac 1<br />
Perlit<br />
C80<br />
Perlit<br />
0,80 Ma.-% C<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 85STH/03-<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 86STH/03-
Gefüge des Zustandsdiagramms<br />
Fe-Fe3C (Stahl)<br />
T e m p e ra tu r [°C ]<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
α<br />
600<br />
400<br />
0,8<br />
0 0,5 1 1,5 2<br />
Fe<br />
911 °C<br />
α + γ<br />
Ferrit<br />
+<br />
Perlit<br />
γ-Mischkristalle<br />
(Austenit)<br />
Perlit<br />
% C<br />
S + γ<br />
γ + Sekundärzementit<br />
723 °C<br />
Perlit<br />
+<br />
Sekundärzementit<br />
1147 °C<br />
2,06<br />
Ac 1<br />
Perlit<br />
Sekundärzementit<br />
C110<br />
Perlit - Sekundärzememtit<br />
1,10 Ma.-% C<br />
Gefüge des Zustandsdiagramms<br />
Fe-Fe3C (Stahl)<br />
T e m p e ra tu r [°C ]<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
α<br />
600<br />
400<br />
0,8<br />
0 0,5 1 1,5 2<br />
Fe<br />
911 °C<br />
α + γ<br />
Ferrit<br />
+<br />
Perlit<br />
γ-Mischkristalle<br />
(Austenit)<br />
Perlit<br />
% C<br />
S + γ<br />
γ + Sekundärzementit<br />
723 °C<br />
Perlit<br />
+<br />
Sekundärzementit<br />
1147 °C<br />
2,06<br />
Ac 1<br />
Perlit<br />
Sekundärzementit<br />
C150<br />
Perlit - Sekundärzememtit<br />
1,50 Ma.-% C<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 87STH/03-<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 88STH/03-
Gefüge des Zustandsdiagramms<br />
Fe-Fe 3 C (Gußeisen)<br />
1.600<br />
1.400<br />
1.200<br />
1.000<br />
800<br />
600<br />
0 1 2 3 4 5 6 7<br />
Kohlenstoffgehalt in Ma.-%<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100<br />
Zementitgehalt in %<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 89<br />
Gefüge des Zustandsdiagramms<br />
Fe-Fe 3 C (Gußeisen)<br />
1.600<br />
1.400<br />
1.200<br />
1.000<br />
800<br />
600<br />
0 1 2 3 4 5 6 7<br />
Kohlenstoffgehalt in Ma.-%<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100<br />
Zementitgehalt in %<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 90
Gefüge des Zustandsdiagramms<br />
Fe-Fe 3 C (Gußeisen)<br />
1.600<br />
1.400<br />
1.200<br />
1.000<br />
800<br />
600<br />
0 1 2 3 4 5 6 7<br />
Kohlenstoffgehalt in Ma.-%<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100<br />
Zementitgehalt in %<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 91<br />
Inhalt Block 2<br />
2 Die Wärmebehandlung der Stähle<br />
2.1 Der atomare Aufbau von Eisen<br />
2.2 Einteilung und Nomenklatur der Stähle<br />
2.3 Herstellung der Stähle<br />
2.4 Qualität und Spezifikation der Stähle<br />
2.5 Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff<br />
2.6.2 Diffusionslose Umwandlung – Martensitbildung<br />
2.6.3 Der Zwitter – Bainitbildung<br />
2.6.4 ZTA- und ZTU-Diagramme<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 92
Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe 3 C<br />
Ferrit<br />
Perlit<br />
A C3<br />
Temperatur<br />
A C1<br />
Zeit<br />
Perlit<br />
Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe 3 C<br />
Perlit<br />
Temperatur<br />
A C1<br />
Perlit<br />
Zeit<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 93STH/03-<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 94STH/03-
Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe 3 C<br />
A Cm<br />
Perlit Sekundärzementit<br />
Temperatur<br />
A C1<br />
Fe 3 C<br />
Zeit<br />
Fe 3 C<br />
Perlit<br />
Diffusionsgesteuerte Umwandlungsprozesse<br />
Perlitbildung<br />
Perlit<br />
Perlit<br />
fein(st) lamellar<br />
(Sorbit)<br />
Wachstumsrichtung<br />
C<br />
Diffusionsweg<br />
x = D ⋅t<br />
rosettenförmig<br />
(Troostit)<br />
Bainit<br />
(Zwischenstufe)<br />
d(Fe 3 C)<br />
d(α-Fe)<br />
obere Bainitstufe<br />
(feinnadeliger Bainit)<br />
untere Bainitstufe<br />
(grobnadeliger oder globulitischer Bainit)<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 96<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 95STH/03-<br />
STH/03-
Inhalt Block 2<br />
2 Die Wärmebehandlung der Stähle<br />
2.1 Der atomare Aufbau von Eisen<br />
2.2 Einteilung und Nomenklatur der Stähle<br />
2.3 Herstellung der Stähle<br />
2.4 Qualität und Spezifikation der Stähle<br />
2.5 Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff<br />
2.6 Atomare Vorgänge bei der Gefügeumwandlung<br />
2.6.1 Diffusionsgesteuerte Umwandlung – Ferrit- und<br />
Perlitbildung<br />
2.6.3 Der Zwitter – Bainitbildung<br />
2.6.4 ZTA- und ZTU-Diagramme<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 97<br />
Gitterstrukturen des Eisens<br />
Fe<br />
C<br />
kubischraumzentriertes Gitter (krz)<br />
-Eisen (bis 911°C)<br />
Ferrit<br />
maximale Löslichkeit für C 0,02%<br />
kubischflächenzentriertes Gitter (kfz)<br />
-Eisen (911 - 1396°C)<br />
Austenit<br />
maximale Löslichkeit für C 2,06%<br />
tetragonales Gitter<br />
Martensit<br />
bildet sich bei schneller Abkühlung von Austenit<br />
Kohlenstoff in Zwangslösung<br />
große Spannungen, hohe Härte<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 98
Elementarzellen Eisen/Stahl<br />
Austenit mit C-Atomen auf<br />
Zwischengitterplätzen<br />
Abschrecken (γ → α)<br />
1 Å<br />
0,4 Å<br />
1,53 Å<br />
Austenit Ferrit C-Atom<br />
a<br />
a<br />
Folgen:<br />
- Zwischengitterplatzgröße wird verringert<br />
- Fe-Atome müssen Lage ändern<br />
- Gitterverzerrung<br />
- hohe Härte<br />
Martensit<br />
a m<br />
a<br />
a<br />
c m<br />
kfz<br />
a = 3.56 Å<br />
Ångström (Å) = 10 -10 m = 0,1 nm<br />
krz<br />
a = 2.86 Å<br />
C-Atom<br />
auf Oktaederlücke<br />
trz<br />
a m = 2.86 - 0.013 % C [Å]<br />
c m = 2.86 + 0.116 % C [Å]<br />
STH/03-<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 99<br />
Kinematik der Martensitbildung<br />
z γ<br />
Orientierungsbeziehungen<br />
30°<br />
a γ<br />
Kurdjumov-Sachs:<br />
(0 1 1) α‘ ║ (1 1 1) γ<br />
bis ca. 1,1% C _ _ _<br />
[1 1 1] α‘ ║ [1 0 1] γ<br />
y γ<br />
Nishiyama-Wassermann: (0 1 1) α‘ ║ (1 1 1) γ<br />
ab 1,1% C _ _ _<br />
[0 1 1] α‘ ║ [1 1 2] γ<br />
a γ /√2 a γ /√2<br />
x γ<br />
[112]γ<br />
z α‘<br />
Dehnung in z-Richtung<br />
35°<br />
c α‘<br />
Stauchung in x und y-<br />
Richtung<br />
a α‘<br />
a α‘<br />
x α‘<br />
y α‘<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 100
Mechanismen der Martensitbildung<br />
Charakteristika der martensitischen Umwandlung<br />
- makroskopisch invariante Ebene (i. A. hoch indizierte<br />
Habitusebene)<br />
- zwischen Matrix und Martensit besteht eine feste<br />
Orientierungsbeziehung<br />
- diffusionslose Umwandlung (militärische Umwandlung)<br />
- sehr schneller Ablauf<br />
STH/03-<br />
Austenitgitter<br />
(2 EZ kfz)<br />
C auf<br />
Oktaederlücken<br />
Gleitprozesse<br />
T ↑<br />
Martensitgitter<br />
(trz)<br />
Deformation<br />
T ↓<br />
Scherung<br />
Zwillingsbildung<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 101<br />
Kinematik der Martensitbildung<br />
Temperatur<br />
400<br />
°C<br />
M s<br />
200<br />
M f<br />
100<br />
- diskontinuierliche (stufenweise)<br />
Phasenumwandlung<br />
- die Martensitnadeln klappen innerhalb eines<br />
Austenitkorns nacheinander um; man spricht<br />
von Martensit 1., 2. … Ordnung<br />
- das Umklappen erfolgt mit annähender<br />
Schallgeschwindigkeit<br />
0<br />
0 20 40 60 % 100<br />
Martensitanteil<br />
Austenitkorn<br />
Ablauf der<br />
Martensitbildung<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 102<br />
STH/03-
Inhalt Block 2<br />
2 Die Wärmebehandlung der Stähle<br />
2.1 Der atomare Aufbau von Eisen<br />
2.2 Einteilung und Nomenklatur der Stähle<br />
2.3 Herstellung der Stähle<br />
2.4 Qualität und Spezifikation der Stähle<br />
2.5 Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff<br />
2.6 Atomare Vorgänge bei der Gefügeumwandlung<br />
2.6.1 Diffusionsgesteuerte Umwandlung – Ferrit- und<br />
Perlitbildung<br />
2.6.2 Diffusionslose Umwandlung – Martensitbildung<br />
2.6.4 ZTA- und ZTU-Diagramme<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 103<br />
Bainitbildung - Mechanismus<br />
Bainit entsteht durch Umklappen des Austenits in Ferrit und Bildung feinst verteilter<br />
Karbidausscheidungen<br />
Man unterscheidet oberen Bainit: bei hohen Temperaturen gebildet; ähnelt<br />
feinstlamellaren Perlit<br />
und unteren Bainit: bei niedrigen Temperaturen gebildet; ähnelt angelassenem<br />
Martensit<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 104
Bainitbildung<br />
nach Takahashi und Bhadeshia<br />
Gefüge: Keehan and Karlsson<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 105<br />
Bainitbildung<br />
%C<br />
C γ+<br />
Carbid<br />
C γ<br />
C α<br />
X [nm]<br />
γ+<br />
α<br />
α<br />
α<br />
α<br />
Bainitnadel<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 106
Bainit<br />
Einfluss der Umwandlungstemperatur<br />
41 Cr 4<br />
620°C<br />
Ferrit und Perlit<br />
(feinlamellar)<br />
515°C<br />
Perlit (feinlamellar, schwarz)<br />
und Bainit<br />
400°C<br />
Bainit<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 107<br />
Bainit<br />
Einfluss der Umwandlungsdauer<br />
41 Cr 4<br />
20 s 40 s 1000 s<br />
Bainit dunkel;<br />
hell: Austenit, der beim Abschrecken Martensit gebildet hat<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 108
Inhalt Block 2<br />
2 Die Wärmebehandlung der Stähle<br />
2.1 Der atomare Aufbau von Eisen<br />
2.2 Einteilung und Nomenklatur der Stähle<br />
2.3 Herstellung der Stähle<br />
2.4 Qualität und Spezifikation der Stähle<br />
2.5 Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff<br />
2.6 Atomare Vorgänge bei der Gefügeumwandlung<br />
2.6.1 Diffusionsgesteuerte Umwandlung – Ferrit- und<br />
Perlitbildung<br />
2.6.2 Diffusionslose Umwandlung – Martensitbildung<br />
2.6.3 Der Zwitter – Bainitbildung<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 109<br />
Das Austenitisieren – ZTA Diagramme<br />
Temperatur in °C<br />
1.300<br />
1.200<br />
1.100<br />
1.000<br />
Aufheizgeschwindigkeit in K/s<br />
2400 10 0,05<br />
homogener Austenit<br />
Bei der Austenitisierung finden folgende<br />
diffusionsbestimmte Vorgänge statt:<br />
- Zementit (Fe 3 C) zerfällt und Kohlenstoff<br />
wird frei.<br />
- Die Eisenatome im krz-Gitter (Ferrit)<br />
ordnen sich neu zum kfz-Gitter (Austenit)<br />
an (Allotropie).<br />
- der freigewordene Kohlenstoff wird im<br />
Austenit (interstitiell) gelöst.<br />
900<br />
Ac 3<br />
Gefügeaufbau<br />
Ferrit<br />
800<br />
Ac 1<br />
Austenit<br />
Ferrit + Perlit<br />
Perlit<br />
700<br />
0 1 10 100 1.000 10.000<br />
Zeit in s<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 110
ZTU-Diagramme<br />
42 CrMo 4<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 111<br />
ZTU-Diagramme<br />
C 45<br />
Für kontinuierliche Abkühlung<br />
Für isotherme Umwandlung<br />
Quelle: Stahlinformationszentrum<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 112
ZTU-Diagramme<br />
2,0<br />
1,5<br />
0,45<br />
1,0<br />
1000<br />
800<br />
A C3<br />
0,5<br />
0<br />
1000<br />
Temperatur (°C)<br />
600<br />
400<br />
200<br />
A C1<br />
M S<br />
F<br />
P<br />
B<br />
(Zw)<br />
800<br />
600<br />
400<br />
Temperatur (°C)<br />
0<br />
10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4<br />
Zeit (s)<br />
• ZTU-Diagramme beschreiben die Gefügeausbildung bei realer/technischer Abkühlung<br />
• Im Gegensatz zum Phasendiagramm treten auch metastabile Gefügezustände auf<br />
• Für „unendlich“ lange Abkühlzeiten entsprechen die Umwandlungstemperaturen den<br />
Temperaturen im Fe-Fe 3 C-Diagramm<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 113<br />
∞<br />
200<br />
0<br />
Nach Hougardy<br />
ZTU-Diagramm 3D<br />
1000<br />
F<br />
K<br />
P<br />
800<br />
B<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
0,4<br />
0,8<br />
M<br />
1,2<br />
1,6<br />
1<br />
2,0 10 -1<br />
10 1 10 2 10 3 10 4 10 5<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 114<br />
nach Hougardy
ZTU-Diagramme – Einflussgrößen<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 115<br />
ZTU-Diagramme - Legierungsgehalt<br />
Temperatur (°C)<br />
1000<br />
900<br />
800<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
M S<br />
A<br />
M<br />
F<br />
B<br />
P<br />
F<br />
B<br />
P<br />
0<br />
10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6<br />
Zeit (s)<br />
10 0 10 1 10 2 10 3 10 4<br />
Zeit (min)<br />
10 0 10 1 10 2<br />
Zeit (h)<br />
B<br />
P<br />
A C3<br />
A C1<br />
C45<br />
42CrMo4<br />
X45NiCrMo4<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 116
ZTU-Diagramm - Gefüge<br />
Temperatur (°C)<br />
1000<br />
900<br />
800<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
A<br />
M S<br />
M<br />
0<br />
10 0 10 1 10 2 10 3 10 4<br />
Zeit (s)<br />
F<br />
B<br />
42CrMo4<br />
P<br />
A C3<br />
A C1<br />
Bildnachweis: Dietrich Horstmann, Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff, Verlag Stahleisen<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 117<br />
Härteprozesse im ZTU-Diagramm<br />
A C3<br />
Temperatur<br />
M S<br />
Härten<br />
A C1<br />
P<br />
F<br />
B<br />
(Zw)<br />
Patentieren<br />
Warmbadhärten<br />
Normalglühen<br />
Gebrochenes<br />
Härten<br />
Bainitisieren<br />
Zeit<br />
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Dr. Dieter Müller Folie 118