Kontinuierliche und isotherme ZTU-Schaubilder von Stählen
Kontinuierliche und isotherme ZTU-Schaubilder von Stählen
Kontinuierliche und isotherme ZTU-Schaubilder von Stählen
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Zeit- Temperatur- Umwandlungs-<br />
Diagramme<br />
Isotherme <strong>und</strong> kontinuierliche <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
Stefan Oehler, Frank Gansert
Übersicht<br />
1. Einführung<br />
2. Isotherme <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
3. <strong>Kontinuierliche</strong> <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
4. Anwendungsgrenzen <strong>von</strong> <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong>n<br />
5. Einige Phasenumwandlungen im Detail<br />
→ Perlit, Martensit, Bainit<br />
Anhang: Quellen<br />
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1. Einführung<br />
Einführung<br />
→ bisher Diagramme nur im Gleichgewicht betrachtet<br />
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1. Einführung<br />
Einführung<br />
→ abhängig <strong>von</strong> der Abkühlgeschwindigkeit können sich aber<br />
unterschiedliche Gefügeformen ausbilden<br />
→ die meisten Phasenumwandlungen sind zeitabhängige Prozesse<br />
→ <strong>ZTU</strong> – Diagramme<br />
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1. Einführung<br />
Einführung – Praktische Bedeutung<br />
Stahl lässt sich durch eine geeignete Temperaturführung in seinen<br />
Eigenschaften verbessern<br />
wichtiges Hilfsmittel für die technische Durchführung <strong>von</strong> Wärmebehandlungen,<br />
insbesondere für die Stahlhärtung<br />
in der Regel werden <strong>ZTU</strong>- Diagramme für die wichtigsten Stähle<br />
<strong>von</strong> den Stahlherstellern mitgeliefert → „Bedienungsanleitung“<br />
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2. Isotherme <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
2. Isotherme <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
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2. Isotherme <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
Erstellen eines <strong>isotherme</strong>n <strong>ZTU</strong>-Schaubildes<br />
1. Eine Probe bei TB [> TS] homogenisieren<br />
2. schnelle umwandlungsfreie Abkühlung der Probe aus der<br />
Behandlungstemperatur TB auf Untersuchungstemperatur T*<br />
3. die Untersuchungstemperatur T* isotherm halten (ca. 300-700°C)<br />
4. Unterbrechen des Umwandlungsvorganges durch Abschrecken der<br />
Proben nach unterschiedlich langen Haltezeiten<br />
→ Keine weitere Änderung der Gefügestruktur<br />
→ Ausmessen der Gefügebestandteile<br />
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2. Isotherme <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
Erstellen eines <strong>isotherme</strong>n <strong>ZTU</strong>-Schaubildes<br />
für jede T* wird sich qualitativ das<br />
gleiche Bild ergeben<br />
es bedarf einer Inkubationszeit (a) bis<br />
die Umwandlung (b) startet<br />
die Umwandlungszeit (b) gibt die<br />
Dauer der Umwandlung an<br />
1-4 wiederholen für verschiedene T*<br />
alle tB <strong>und</strong> tE in ein Temperatur-Zeit-<br />
Diagramm übertragen<br />
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2. Isotherme <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
Erstellen eines <strong>isotherme</strong>n <strong>ZTU</strong>-Schaubildes<br />
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2. Isotherme <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
Ablesen eines <strong>isotherme</strong>n <strong>ZTU</strong>-Schaubildes<br />
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3. <strong>Kontinuierliche</strong> <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
3. <strong>Kontinuierliche</strong> <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
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3. <strong>Kontinuierliche</strong> <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
Abgrenzung zu <strong>isotherme</strong>n <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong>n<br />
→ die kontinuierlichen <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong> sind den <strong>isotherme</strong>n<br />
sehr ähnlich<br />
→ es laufen diesselben Vorgänge im Gefüge ab<br />
→ die Temperaturen bei bzw. die Zeiten nach denen ein<br />
bestimmter Umwandlungsvorgang stattfindet,<br />
sowie die Volumenanteile der dabei entstehenden<br />
Gefügebestandteile unterscheiden sich<br />
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3. <strong>Kontinuierliche</strong> <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
Erstellen eines kontinuierlichen <strong>ZTU</strong>-Schaubildes<br />
1. kontinuierliches Abkühlen nach einer bestimmten Haltedauer auf<br />
Austenitisierungs- Temperatur mit unterschiedlichen<br />
in der Praxis realisierbaren Geschwindigkeiten<br />
2. Stetiges Messen <strong>und</strong> Registrieren<br />
→ bei langsamer Abkühlung: Dilatometerverfahren<br />
→ bei rascher Abkühlung: Thermische Analyse<br />
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3. <strong>Kontinuierliche</strong> <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
Erstellen eines kontinuierlichen <strong>ZTU</strong>-Schaubildes<br />
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3. <strong>Kontinuierliche</strong> <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
Erstellen eines kontinuierlichen <strong>ZTU</strong>-Schaubildes<br />
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3. <strong>Kontinuierliche</strong> <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
Erstellen eines kontinuierlichen <strong>ZTU</strong>-Schaubildes<br />
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3. <strong>Kontinuierliche</strong> <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong><br />
Ablesen eines kontinuierlichen <strong>ZTU</strong>-Schaubildes<br />
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4. Anwendungsgrenzen <strong>von</strong> <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong>n<br />
4. Anwendungsgrenzen <strong>von</strong> <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong>n<br />
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4. Anwendungsgrenzen <strong>von</strong> <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong>n<br />
Anwendungsgrenzen <strong>von</strong> <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong>n<br />
nur entlang der Isothermen, bzw. der eingezeichneten Abkühlkurve<br />
abzulesen<br />
Beeinflussung durch Schwankungen in der Stahlzusammensetzung<br />
gelten nur für die angegebenen Austenitisierungsbedingungen<br />
Abkühlkurven nur für kleine Probekörper ermittelt<br />
→<br />
oftmals erhebliche Abweichung bei Werkstücke mit größeren<br />
Wanddicken oder unregelmäßiger Geometrie<br />
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4. Anwendungsgrenzen <strong>von</strong> <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong>n<br />
Anwendungsgrenzen <strong>von</strong> <strong>ZTU</strong>-<strong>Schaubilder</strong>n<br />
→ <strong>ZTU</strong>-Diagramme geben das Umwandlungsverhalten eines<br />
Stahles immer nur mit einer gewissen Annäherung wieder!<br />
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5. Einige Phasenumwandlungen im Detail<br />
5. Einige Phasenumwandlungen im Detail<br />
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5. Einige Phasenumwandlungen im Detail<br />
Einige Phasenumwandlungen im Detail<br />
3 Unterkühlungsstufen:<br />
Bei langsamer Abkühlgeschwindigkeit<br />
→ Diffusion <strong>von</strong> C-Atomen möglich<br />
→ Diffusion <strong>von</strong> Fe-Atomen möglich<br />
→ Perlitbildung<br />
Bei erhöhter Abkühlgeschwindigkeit → Bainitbildung<br />
→ Diffusion <strong>von</strong> C-Atomen erschwert<br />
→ Diffusion <strong>von</strong> Fe-Atomen nicht mehr möglich<br />
Bei hoher Abkühlgeschwindigkeit<br />
→ Diffusion <strong>von</strong> C-Atomen nicht mehr möglich<br />
→ Diffusion <strong>von</strong> Fe-Atomen nicht mehr möglich<br />
→ Martensitbildung<br />
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5. Einige Phasenumwandlungen im Detail<br />
Perlit<br />
abwechselnde Keimbildung <strong>und</strong> Wachstum <strong>von</strong><br />
Zementit- <strong>und</strong> Ferritkristallen (Perlit)<br />
die mit sinkender Umwandlungstemperatur<br />
abnehmenden Diffusionswege führen in<br />
Verbindung mit einer vermehrten Keimbildung<br />
zu kleineren Lamellenabständen des Perlits<br />
(feinlamellarer Perlit, bzw. feinstlamellarer Perlit)<br />
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5. Einige Phasenumwandlungen im Detail<br />
Martensit<br />
Spontane, diffusionslose Umwandlung ohne<br />
Konzentrationsänderung<br />
Unterhalb der Martensit-Startemperatur wird<br />
eine bestimmte Menge Martensit gebildet<br />
Phasenumwandlung <strong>von</strong> kfz nach trz (krz)<br />
über Scherbewegungen<br />
Kohlenstoff kann nicht diff<strong>und</strong>ieren, bleibt im<br />
Gitter, Gitter verspannt<br />
Bei Unterkühlung bis MF wird 100% Martensit<br />
gebildet<br />
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5. Einige Phasenumwandlungen im Detail<br />
Martensit<br />
→ Lattenmartensit<br />
in Stählen mit < 0,4% C <strong>und</strong><br />
Fe-Basislegierungen mit < 25% Ni<br />
wächst in Lattenform mit 1μm Breite,<br />
die ein ganzes Austenitkorn durchziehen ohne<br />
Austenit zurückzulassen<br />
Lanzetttmartensit; C2,6<br />
(Stahl mit 0,026% C)<br />
Plattenmartensit; 49Ni48<br />
(0,49% C mit 12% Ni)<br />
→ Plattenmartensit<br />
> 0,4% C neben dem Lattenmartensit auftretend<br />
> 0,8% C tritt vorwiegend Plattenmartensit auf<br />
die Martensitplatten durchziehen ein ganzes Korn<br />
die Bildung neuer Platten ist durch die bereits<br />
gebildeten behindert, Restaustenit bleibt zurück<br />
hohe Versetzungsdichte <strong>und</strong> Zwillingsbildung<br />
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5. Einige Phasenumwandlungen im Detail<br />
Martensit<br />
Martensitplatten (weiß) in Austenitmatrix<br />
in einer Fe-1,25-Masse-%-C-7,05-Masse-%-<br />
Ni-Legierung, die aus dem Austenitbereich<br />
auf Raumtemperatur abgeschreckt wurde<br />
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5. Einige Phasenumwandlungen im Detail<br />
Bainit (Zwischenstufengefüge)<br />
→ Oberer Bainit (350°C - 570°C)<br />
Diffusion <strong>von</strong> C-Atomen im Austenitkristall<br />
Bildung <strong>von</strong> an C verarmten Bereichen<br />
diffusionslosen „Umklappvorgang“ in<br />
plattenförmigen bainitischen Ferrit<br />
Anreicherung <strong>von</strong> Kohlenstoff bis zur<br />
Übersättigung<br />
Bildung <strong>von</strong> Zementitkristallen<br />
zwischen den Ferritplatten<br />
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5. Einige Phasenumwandlungen im Detail<br />
Bainit (Zwischenstufengefüge)<br />
→ Unterer Bainit (Ms - 350°C)<br />
durch diffusionslosen „Umklappvorgang“<br />
Bildung <strong>von</strong> Ferritplatten<br />
wegen niedrigeren Temperaturen keine<br />
ausreichende Diffusion der C-Atome im Austenit<br />
mehr möglich<br />
→ C-Atome im Ferritkristall in Zwangslösung<br />
C- Atome können sich aber im krz der<br />
Ferritplatten in Form <strong>von</strong> Zementitkristallen<br />
ausscheiden<br />
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Anhang: Quellen<br />
Quellen<br />
Vorlesungsskript Konstitutionslehre WS 2008/09<br />
Prof. Reimers<br />
Metallografie<br />
Schumann, Hermann; Oettel, Heinrich; 14. Auflage; 2005<br />
Wärmebehandlung des Stahls<br />
Läpple, Volker; 9. Auflage; 2006<br />
Physikalische Gr<strong>und</strong>lagen der Materialk<strong>und</strong>e<br />
Gottstein, Günter; 3. Auflage<br />
Metalle, Struktur <strong>und</strong> Eigenschaften der Metalle <strong>und</strong> Legierungen<br />
Hornbogen, Erhard; Warlimont, Hans; 5. Auflage<br />
http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2002/martensite.html<br />
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