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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