zeit- temperatur- umwandlungs- diagramme · zeit- temperatur- umwandlungs- diagramme isotherme und...
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Zeit- Temperatur- Umwandlungs- Diagramme
Isotherme und kontinuierliche ZTU-Schaubilder
Stefan Oehler, Frank Gansert
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Übersicht
1. Einführung
2. Isotherme ZTU-Schaubilder
3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder
4. Anwendungsgrenzen von ZTU-Schaubildern
5. Einige Phasenumwandlungen im Detail
→ Perlit, Martensit, Bainit
Anhang: Quellen
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Einführung
1. Einführung
→ bisher Diagramme nur im Gleichgewicht betrachtet
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Einführung
1. Einführung
→ abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit können sich aber unterschiedliche Gefügeformen ausbilden
→ die meisten Phasenumwandlungen sind zeitabhängige Prozesse
→ ZTU – Diagramme
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Einführung – Praktische Bedeutung
1. Einführung
Stahl lässt sich durch eine geeignete Temperaturführung in seinen Eigenschaften verbessern
wichtiges Hilfsmittel für die technische Durchführung von Wärme-behandlungen, insbesondere für die Stahlhärtung
in der Regel werden ZTU- Diagramme für die wichtigsten Stählevon den Stahlherstellern mitgeliefert → „Bedienungsanleitung“
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2. Isotherme ZTU-Schaubilder2. Isotherme ZTU-Schaubilder
2. Isotherme ZTU-Schaubilder
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Erstellen eines isothermen ZTU-Schaubildes
2. Isotherme ZTU-Schaubilder
1. Eine Probe bei TB [> TS] homogenisieren
2. schnelle umwandlungsfreie Abkühlung der Probe aus der Behandlungstemperatur TB auf Untersuchungstemperatur T*
3. die Untersuchungstemperatur T* isotherm halten (ca. 300-700°C)
4. Unterbrechen des Umwandlungsvorganges durch Abschrecken der Proben nach unterschiedlich langen Haltezeiten
→ Keine weitere Änderung der Gefügestruktur→ Ausmessen der Gefügebestandteile
2. Isotherme ZTU-Schaubilder
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Erstellen eines isothermen ZTU-Schaubildes
2. Isotherme ZTU-Schaubilder
es bedarf einer Inkubationszeit (a) bis die Umwandlung (b) startet
die Umwandlungszeit (b) gibt die Dauer der Umwandlung an
1-4 wiederholen für verschiedene T*
alle tB und tE in ein Temperatur-Zeit- Diagramm übertragen
für jede T* wird sich qualitativ das gleiche Bild ergeben
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Erstellen eines isothermen ZTU-Schaubildes
2. Isotherme ZTU-Schaubilder
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Ablesen eines isothermen ZTU-Schaubildes
2. Isotherme ZTU-Schaubilder
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3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder
3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder
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→ die kontinuierlichen ZTU-Schaubilder sind den isothermen sehr ähnlich
→ es laufen diesselben Vorgänge im Gefüge ab
→ die Temperaturen bei bzw. die Zeiten nach denen ein bestimmter Umwandlungsvorgang stattfindet, sowie die Volumenanteile der dabei entstehenden Gefügebestandteile unterscheiden sich
Abgrenzung zu isothermen ZTU-Schaubildern
3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder
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Erstellen eines kontinuierlichen ZTU-Schaubildes
3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder
1. kontinuierliches Abkühlen nach einer bestimmten Haltedauer auf Austenitisierungs- Temperatur mit unterschiedlichen in der Praxis realisierbaren Geschwindigkeiten
2. Stetiges Messen und Registrieren
→ bei langsamer Abkühlung: Dilatometerverfahren
→ bei rascher Abkühlung: Thermische Analyse
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Erstellen eines kontinuierlichen ZTU-Schaubildes
3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder
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Erstellen eines kontinuierlichen ZTU-Schaubildes
3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder
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Erstellen eines kontinuierlichen ZTU-Schaubildes
3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder
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Ablesen eines kontinuierlichen ZTU-Schaubildes
3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder
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4. Anwendungsgrenzen von ZTU-Schaubildern
4. Anwendungsgrenzen von ZTU-Schaubildern
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Anwendungsgrenzen von ZTU-Schaubildern
4. Anwendungsgrenzen von ZTU-Schaubildern
nur entlang der Isothermen, bzw. der eingezeichneten Abkühlkurveabzulesen
Beeinflussung durch Schwankungen in der Stahlzusammensetzung
gelten nur für die angegebenen Austenitisierungsbedingungen
Abkühlkurven nur für kleine Probekörper ermittelt
→ oftmals erhebliche Abweichung bei Werkstücke mit größeren Wanddicken oder unregelmäßiger Geometrie
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Anwendungsgrenzen von ZTU-Schaubildern
4. Anwendungsgrenzen von ZTU-Schaubildern
→ ZTU-Diagramme geben das Umwandlungsverhalten eines Stahles immer nur mit einer gewissen Annäherung wieder!
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5. Einige Phasenumwandlungen im Detail
5. Einige Phasenumwandlungen im Detail
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Einige Phasenumwandlungen im Detail
5. Einige Phasenumwandlungen im Detail
3 Unterkühlungsstufen:
Bei langsamer Abkühlgeschwindigkeit → Perlitbildung→ Diffusion von C-Atomen möglich→ Diffusion von Fe-Atomen möglich
Bei erhöhter Abkühlgeschwindigkeit → Bainitbildung→ Diffusion von C-Atomen erschwert→ Diffusion von Fe-Atomen nicht mehr möglich
Bei hoher Abkühlgeschwindigkeit → Martensitbildung→ Diffusion von C-Atomen nicht mehr möglich→ Diffusion von Fe-Atomen nicht mehr möglich
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Perlit
5. Einige Phasenumwandlungen im Detail
abwechselnde Keimbildung und Wachstum von Zementit- und Ferritkristallen (Perlit)
die mit sinkender Umwandlungstemperatur abnehmenden Diffusionswege führen in Verbindung mit einer vermehrten Keimbildung zu kleineren Lamellenabständen des Perlits (feinlamellarer Perlit, bzw. feinstlamellarer Perlit)
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Martensit
5. Einige Phasenumwandlungen im Detail
Spontane, diffusionslose Umwandlung ohne Konzentrationsänderung
Unterhalb der Martensit-Startemperatur wird eine bestimmte Menge Martensit gebildet
Phasenumwandlung von kfz nach trz (krz)über Scherbewegungen
Kohlenstoff kann nicht diffundieren, bleibt im Gitter, Gitter verspannt
Bei Unterkühlung bis MF wird 100% Martensitgebildet
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Martensit
5. Einige Phasenumwandlungen im Detail
→ Lattenmartensitin Stählen mit < 0,4% C und Fe-Basislegierungen mit < 25% Niwächst in Lattenform mit 1μm Breite, die ein ganzes Austenitkorn durchziehen ohne Austenit zurückzulassen
→ Plattenmartensit> 0,4% C neben dem Lattenmartensit auftretend> 0,8% C tritt vorwiegend Plattenmartensit aufdie Martensitplatten durchziehen ein ganzes Korndie Bildung neuer Platten ist durch die bereits gebildeten behindert, Restaustenit bleibt zurück hohe Versetzungsdichte und Zwillingsbildung
Lanzetttmartensit; C2,6(Stahl mit 0,026% C)
Plattenmartensit; 49Ni48 (0,49% C mit 12% Ni)
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Martensit
5. Einige Phasenumwandlungen im Detail
Martensitplatten (weiß) in Austenitmatrix in einer Fe-1,25-Masse-%-C-7,05-Masse-%-Ni-Legierung, die aus dem Austenitbereich auf Raumtemperatur abgeschreckt wurde
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Bainit (Zwischenstufengefüge)
5. Einige Phasenumwandlungen im Detail
→ Oberer Bainit (350°C - 570°C)
Diffusion von C-Atomen im Austenitkristall
Bildung von an C verarmten Bereichen
diffusionslosen „Umklappvorgang“ in plattenförmigen bainitischen Ferrit
Anreicherung von Kohlenstoff bis zur Übersättigung
Bildung von Zementitkristallen zwischen den Ferritplatten
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Bainit (Zwischenstufengefüge)
5. Einige Phasenumwandlungen im Detail
→ Unterer Bainit (Ms - 350°C)
durch diffusionslosen „Umklappvorgang“ Bildung von Ferritplatten
wegen niedrigeren Temperaturen keine ausreichende Diffusion der C-Atome im Austenit mehr möglich → C-Atome im Ferritkristall in Zwangslösung
C- Atome können sich aber im krz der Ferritplatten in Form von Zementitkristallen ausscheiden
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Quellen
Anhang: Quellen
Vorlesungsskript Konstitutionslehre WS 2008/09Prof. Reimers
MetallografieSchumann, Hermann; Oettel, Heinrich; 14. Auflage; 2005
Wärmebehandlung des StahlsLäpple, Volker; 9. Auflage; 2006
Physikalische Grundlagen der MaterialkundeGottstein, Günter; 3. Auflage
Metalle, Struktur und Eigenschaften der Metalle und LegierungenHornbogen, Erhard; Warlimont, Hans; 5. Auflage
http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2002/martensite.html