Werkstoffe 5 - Legierungssystem Eisen-Kohlenstoff

WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014


2

5. LEGIERUNGSSYSTEM EISEN-KOHLENSTOFF

5.1. REINES EISEN

5.2. EISEN-KOHLENSTOFF-DIAGRAMM

5.3. KOHLENSTOFF ALS LEGIERUNGSELEMENT


3

LERNZIELE

Nach der Vorlesung sind Sie in der Lage...

...die wichtigsten Eigenschaften von reinem Eisen und seine

Umwandlungen zu beschreiben

...den genauen Aufbau des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms wieder-

zugeben, Gefge und Umwandlungen zu erkennen und zu beschrei-

ben

...den Einflu von Kohlenstoff als Legierungselement auf me-

chanische und technologische Eigenschaften von Stahl bzw.

Gueisen darzustellen


4

Reines Eisen


5

Eigenschaften


6

graues, in reinem Zustand

sehr weiches Schwermetall

(MOHS-Hrte 4,0)

wegen geringer Festigkeit keine Verwen-

dung als Konstruktionswerkstoff

seit ca. 5000 Jahren bekannt

Meteoreisen

Eisenzeit (11. 4. Jhd. v.u.Z.)

Vorkommen: ca. 4,7% in der Erdrinde

zweithufigstes Metall (nach Aluminium)

26Fe

Eisen

allgemeine Eigenschaften


7

Polymorphie: -, und -Eisen, bei RT ferromagnetisch

Einsatz in der E-Technik (wegen groer magnetischer Permeabilitt und ge-

ringer Koerzitivfeldstrke)

Fp.: 1536 C, Kp.: 2861 C; = 7,87 g/cm3

Parameter Wert

E-Modul in GPa 206

Wrmeausdehnungs-koeffizient in K-1

12,310-6

Wrmeleitfhigkeit in W/(mK)

80,2

elektrische Leitfhigkeit In S/m

10,010-6

physikalische Eigenschaften


8

Nebengruppenelement (VIIIb/8, Eisengruppe)

Elektronenkonfiguration: [Ar] 3d6 4s2

Oxidationszahlen: +II, +III, (+IV, +V, +VI)

unedler Charakter: 0(Fe/Fe2+) = -0,44 V wegen fehlender Passi-

vierung fortschreitende Oxidation an Luft (Rosten)

Fe2+-Ionen sind wichtiger Bestandteile im Hmoglobin

chemische Eigenschaften


9

Umwandlungen


10

Umwandlungen


11

Bedeutung des thermischen Gleichgewichts:

Unterschiede vom thermischen Gleichgewicht werden umso grer

je weiter man sich vom Gleichgewichtszustand entfernt: grere Auf-

heiz- und Abkhlgeschwindigkeiten und

je grer die Menge an Legierungs- und Begleitelementen ist: zuneh-

mende Legierungsgehalte verschieben die Haltepunkte erheblich

Cave: Aussagen zum EKD gelten wenn nicht anders erwhnt przise nur

fr Legierungen von Eisen und Kohlenstoff, d.h. die Anwesenheit weiterer

Legierungs- oder Begleitelemente wird nicht bercksichtigt!

Umwandlungen


12

-Fe (-Eisen)

kubisch-raum-

zentriert (krz)

(a = 286,7 pm*)

KoZ: 8

ferromagnetisch

-Fe (-Eisen)

kubisch-raum-

zentriert (krz)

(a = 290,4 pm*)

KoZ: 8

paramagnetisch (frher -Fe)

-Fe (-Eisen)

kubisch-flchen-

zentriert (kfz)

(a = 364,7 pm)

KoZ: 12

paramagnetisch

Ac2 769 C

Ar2 769 C

Ac3 911 C*

Ar3 906 C*

* thermische Hysterese * 20 C * 911 C

Umwandlungen


13

-Fe (-Eisen)

kubisch-flchen-

zentriert (kfz)

(a = 364,7 pm)

KoZ: 12

paramagnetisch

-Fe (-Eisen)

kubisch-raum-

zentriert (krz)

(a = 293,2 pm)

KoZ: 8

paramagnetisch

Fe (l) (Flssigeisen)

Ac4 1392 C

Ar4 1392 C

Ac 1536 C

Ar 1536 C

Umwandlungen


14

Umwandlung krz kfz bei Ac3 bzw. Ar3 (und Ac4 bzw. Ar4):

keine Auflsung des geordneten Zustands: Umgruppierung erfordert nur

Anpassung der Gitterabstnde

Anziehungskrfte im Gitter werden

nicht aufgehoben Form und Festig-

keit der Bauteile bleiben erhalten

zwei kfz-Zellen (Austenit) mit

Vorstufe einer krz-Zelle (Ferrit)

Umwandlungen


15

Bestimmung des Umwandlungspunkts mittels Dilatometrie:

Umwandlung krz (68% PD) kfz (74% PD) ist mit einer sprunghaften Volu-

menabnahme verbunden

Umwandlungen


16

Folgen der sprunghaften Volumennderung:

Zunderschichten (Oxid mit abweichendem Kristallgitter) werden durch ent-

stehende Schubspannungen gelockert und platzen ab

unlegierte Sthle sind nicht hitzebestndig, sie verzundern allmhlich

(stndige --Umwandlung in beide Richtungen)

Hitzebestndige Sthle mssen deshalb umwandlungsfrei sein!

hhere Gehalte von Cr, Si, Mo ferritische Sthle (erstarren krz und be-

halten Kristallgitter bei Abkhlung auf RT bei)

hhere Gehalte von Ni, Mn, Co austenitische Sthle (sind bei Abkh-

lung auf RT noch kfz, also nicht umgewandelt)

Werkstoffe 7: Einflu der Legierungselemente

Umwandlungen


17

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm


18

Einleitung


19

Kohlenstoff ist fr Eisen wichtigstes Legierungselement

Vernderungen der Eigenschaften des reinen Eisen schon in sehr kleinen

Mengen: 0,1 %C Zugfestigkeit Rm + 90 MPa, Streckgrenze Re + 45 MPa

Kohlenstoff kann in Fe-C-Legierungen verschiedene Formen annehmen:

Einleitung Eisen-Kohlenstoff-Legierungen

Mischkristalle

Verbindungsphase

stabile Phase

Besetzung von Zwischengitterpltzen begrenzte Lslichkeit

chemische Bindung an Fe ( Zementit/Eisencarbid, Fe3C bzw. Carbid, Fe23C)

elementarer Kohlenstoff in Form von Graphit


20

Gitterlcken


21

Fe-Kristallgitter bieten fr kleine Fremdatome (z.B. C,

N, B, H) verschiedene Einlagerungsmglichkeiten auf

Zwischengitterpltzen:

Einleitung Ferrit, Austenit & -Ferrit

Element d in pm

C 155

N 140

B 159

H 74 Oktaederlcken Tetraederlcken


22

kleinere Lcken in der Mitte eines gestauchten Oktaeders bzw. geometrisch

vollwertig auf den Mitten der Wrfelkanten

Einlagerung eines Fremdatoms bis zum maxima-

len Durchmesser d = 38 pm (bei 20 C)

Einleitung Gitterlcken im und -Eisen

Oktaederlcken (OEL)


23

grere Lcken an der Wrfeloberflche im Innern eines aus 4 Fe-Atomen

gebildeten unregelmigen Tetraeders

Einlagerung eines Fremdatoms bis zum maxima-

len Durchmesser d = 65 pm (bei 20 C)


Tetraederlcken (TEL)


24

Cave: Fremdatome besetzen im krz-Gitter die Oktaederlcken!

Begrndung: Einlagerungsatome (dX > d) mssen die nchsten Gitteratome

verschieben Gitterverzerrung

Analyse der Situation:

Oktaederlcken: 2 Atome mit geringem, 4 Atome mit grerem Abstand

Tetraederlcken: 4 Atome mit identischem Abstand

interstitielle Einlagerung auf Oktaederpltzen fhrt zu einer insgesamt ge-

ringeren Gitterverzerrung (nur 2 Atome erleiden eine nennenswerte Lage-

verschiebung)



25


Lcke A: Tetraederlcke Lcke B: Oktaederlcke


26

groe Lcken im Zentrum des Wrfels

Einlagerung eines Fremdatoms bis zum

maximalen Durchmesser d = 103 pm

Einleitung Gitterlcken im -Eisen

Oktaederlcken (OEL)


27

kleinere Lcken mit einer Flchenhalbdi-

agonalen als einer Tetraederseite

Einlagerung eines Fremdatoms bis zum

maximalen Durchmesser d = 58 pm

interstitielle Einlagerung ebenfalls auf Ok-

taederpltzen (Ausnahme H) mit geringer

Gitterverzerrung

Einleitung Gitterlcken im -Eisen

Tetraederlcken (TEL)


28

Einleitung Kohlenstofflslichkeit

-/-Eisen sehr kleine Lcken

erhebliche

Gitterverzerrungen

geringe Lslichkeit

Ferrit/

-Ferrit

Lckentyp krz-Gitter kfz-Gitter

TEL 65 pm 58 pm

OEL 38 pm 103 pm

-Eisen grere Lcken

geringe

Gitterverzerrungen

hhere Lslichkeit Austenit


29

Erstarrungsformen


30

Kristallgitter C-Lslichkeit Bezeichnung

-Eisen bei 20 C: < 0,0001% bei 723 C: 0,02%

Ferrit -Mischkristall

-Eisen bei 723 C: 0,8% bei 1147 C: 2,06%

Austenit -Mischkristall

-Eisen 0,1% bei 1493 C -Ferrit

Einleitung Kohlenstofflslichkeit

Cave: Trotz dichterer Packung knnen im Austenit mehr C-Atome eingela-

gert werden als im Ferrit (wegen grerer Zwischengitterpltze)!


31

Mischkristalle

(Ferrit/Zementit)

mit gelstem

Kohlenstoff

Ausscheidung einer

stabilen Phase in Form

von elementarem

Kohlenstoff mit

Graphitstruktur

Bildung der

metastabilen

Verbindungsphase

Zementit, Fe3C

Unterschreiten der

Lslichkeitsgrenze

Einleitung Verbindungsphase: Zementit


32

kompliziertes, rhomboedrisches Kristallgitter

groe Hrte (1100 HV10), sehr sprde (praktisch

nicht verformbar)

CURIE-Temperatur: C = 210 C

Zerfall bei hohen Temp. in Graphit (Temperkoh-

le): Fe3C 3 Fe + C

Zementit ist die Grundlage fr die Erzeugung von

Stahl, Stahlgu und einigen Gueisensorten (Tem-

pergu & Hartgu)



33

Frderung der Zementitbildung: Anwesenheit von sogenannten Carbidbild-

nern (Mn, Mo, Zr, V) und rasche Abkhlung der Schmelze



34

-Carbid: nicht-stchiometrisches Carbid der ungefhren Zu-

sammensetzung Fe2-3C

Ausscheidung beim Tempern aus unlegierten Sthlen bei

100-200 C

hexagonale Gitterstruktur

bergangscarbid: Umwandlung in Zementit bei Temperaturen ber 200 C

(bedeutsam beim Anlassen & Vergten WS 6: Wrmebehandlung)

HGG-Carbid, Fe5C2: Ausscheidung beim Tempern in gehrteten Werkzeug-

sthlen bei 200-300 C

Einleitung weitere Carbide


35

thermodynamisch stabile Phase mit Schichtstruktur

Fe-C-Legierungen mit Graphit sind Grundlage fr die Erzeugung von Gu-

eisenwerkstoffen ( WS 8)

Einleitung stabile Phase: Graphit


36

Frderung der Graphitbildung:

Anwesenheit graphitstabilisierender Elemente (Si, Al, Ti, Ni)

langsame Abkhlung der Schmelze

uneindeutige Schmelzenzusammensetzung hinsichtlich Zementit- oder Gra-

phitbildung Abkhlgeschwindigkeit entscheidend

Einleitung stabile Phase: Graphit

dickwandiges

Gustck

langsame Abkhlung

im Kern

Graphitbildung

schnelle Abkhlung

am Rand

Zementitbildung


37

Einleitung bersicht Erstarrungsformen


38

Einleitung bersicht Erstarrungsformen


39

Aufbau des EKD


40

Aufbau des EKD Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Aufbau

eutektisches Teilschaubild

eutektoides Teilschaubild

peritektisches Teilschaubild

nur fr hochlegierte Sthle bedeutend


Eutektikum bzw. eutektische Legie-

rung mit 4,3% C bei 1147 C

Phasengebiete ABH, IBCE & CDF sind

Bereiche, in denen Schmelze und Kri-

stalle stabil nebeneinander vorliegen

vollstndige Erstarrung der Schmelze,

Kristallisationsvorgang ist abgeschlos-

sen

41


Aufbau

Liquiduslinie ABCD

Soliduslinie AHIECF


42

un

tereu

tektoid

e Sthle

b

ere

utekto

ide

Sthle

un

tereu

tektisches G

u

eise

n

b

ere

utektisch

es Gu

e

isen

eutektoider Punkt eutektischer Punkt


Legierungs-gruppen


43

C-Gehalt C-Lslichkeit

C < 0,02% Weicheisen

0,02% < C < 0,80% untereutektoide Sthle

C = 0,80% eutektoider Stahl

0,80% < C 2,06% bereutektoide Sthle

2,06% < C < 4,30% untereutektisches Gueisen

C = 4,30 % eutektisches Gueisen

4,30 < C 6,67% bereutektisches Gueisen


Legierungs-gruppen


44


berblick


45

Punkt in C xC in %

A 1536 0

B 1493 0,53

C 1147 4,30

D 1320 6,67

E 1147 2,06

F 1147 6,67

G 911 0

H 1493 0,10

I 1493 0,16

K 723 6,67

N 1392 0

P 723 0,02

S 723 0,80

Q 20 0


metastabiles System


46

Punkt in C xC in %

A = A 1536 0

B = B 1493 0,53

C 1153 4,25

D 3760 100

E 1153 2,03

F 1153 100

G = G 911 0

H = H 1493 0,10

I I 1493 0,16

K 738 100

N = N 1392 0

P 738 0,02

S 738 0,68

Q = Q 20 0


stabiles System


47

Erstarrungs-vorgnge


48

EKD Einteilung in verschiedene Abschnitte, innerhalb derer bei Abkhlung

aus dem flssigen Zustand die Gefgeausbildungen und die an den Phasen-

grenzen ablaufenden Gefgevernderungen vergleichbar sind

Erstarrungs-vorgnge

Sthle

metastabiles System

untereutektische Legierungen

bereutektische Legierungen

0% C < 0,1%

0,1% C < 0,16%

0,16% C < 0,51%

0,51% C < 2,06%

2,06% C < 4,3%

4,3% C < 6,67%

Gueisen


49

Verhalten wie Mischkristall-Typ:

unterhalb der Liquiduslinie: Ausscheidung von Misch-

kristallen (C-arm C-reich, Hebelbeziehung)

unterhalb der Soliduslinie: Gefge aus Mischkristal-

len (Austenit)

Austenit: Einlagerungsmischkristall (C auf Zwischengitterpltzen im Innern

der kfz-Elementarzelle), bei max. 2% C ist etwa jede 3. Elementarzelle mit

einem C-Atom besetzt

Erstarrungs-vorgnge

Sthle

metastabiles System


50

Erstarrungsverlauf zunchst wie bei Sthlen

MK-Konzentration steigt auf max. 2% C, C-Konzen-

tration steigt auf max. 4,3%

Restschmelze erstarrt anschlieend zum Eutektikum

Ausscheidung der Komponente, die gegenber der eutektischen Zusammen-

setzung im berschu vorhanden ist Zementit-Kristalle

T : Schmelze verarmt an C, nhert sich eutektischer Zusammensetzung

Erstarrungs-vorgnge



metastabiles System

Verhalten wie Grundtyp II


51

Erstarrungs-vorgnge metastabiles System

Sthle

0% C < 0,1%


52

Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Sthle

0% C < 0,1%

AB (Liquiduslinie): Ausscheidung von -Ferrit aus der Schmelze

Phasengebiet ABH: -Ferrit + Schmelze

AH (Soliduslinie): abgeschlossener Erstarrungsvorgang

Phasengebiet ANH: -Ferrit


53


0% C < 0,1%

Phasengrenze HN: Ausscheidung von Austenit aus -Ferrit

Phasengebiet HNI: -Ferrit + Korngrenzenaustenit

Phasengrenze IN: Umwandlung des Restferrits in Austenit

unterhalb IN: austenitisches Gefge


54


Sthle

0,1% C < 0,16%


55


0,1% C < 0,16%



HI (Peritektikale): peritektische Reaktion: -Ferrit + S Austenit


56


0,1% C < 0,16%

Phasengebiet HNI: -Ferrit + Austenit

Phasengrenze IN: Umwandlung des Restferrits in Austenit



57


Sthle

0,16% C < 0,51%


58


0,16% C < 0,51%



HI (Peritektikale): peritektische Reaktion: -Ferrit + S Austenit


59


0,16% C < 0,51%

Phasengebiet BIEC: Schmelze + Austenit (Ausnahme: C = 0,16%)

IE (Soliduslinie): Erstarrung der Restschmelze zu Austenit

unterhalb IE: austenitisches Gefge


60


Sthle

0,51% C < 2,06%


61


0,51% C < 2,06%

BC (Liquiduslinie): Ausscheidung von Austenit aus der Schmelze

Phasengebiet BIEC: Austenit + Schmelze

Phasengrenze IE: Erstarrung der Restschmelze zu Austenit



62



2,06% C < 4,3%

Gueisen


63

Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Gueisen

2,06% C < 4,3%

BC (Liquiduslinie): Ausscheidung C-armer Austenitkristalle aus der

Schmelze

Phasengebiet BIEC: Austenit + Schmelze

EC (Eutektikale): Restschmelze mit eutektischer Zusammensetzung

durchluft eutektische Reaktion: Schmelze Austenit + Zementit


64


2,06% C < 4,3%

unterhalb EC: Austenit + Ledeburit I (Austenit + Zementit) + Sekun-

drzementit

SK (Eutektoide): Austenit mit eutektoider Zusammensetzung durch-

luft eutektoide Reaktion: Austenit Zementit + Ferrit

unterhalb SK: Perlit (Zementit + Ferrit) + Ledeburit II (Perlit + Ferrit)

+ Sekundrzementit


65


2,06% C < 4,3%

weitere Abkhlung: Kohlenstofflslichkeit (in Perlit/Ledeburit II) fr T Ausscheidung des berschssigen Kohlenstoffs als Tertir-zementit

Tertirzementit tritt aber bei diesen Legierungen mikroskopisch im Ge-

fge nicht in Erscheinung, da er an die bereits vorhandenen Zementit-

kristalle ankristallisiert


66



4,3% C < 6,67%

Gueisen


67


4,3% C < 6,67%

CD (Liquiduslinie): Ausscheidung von Primrzementit (nadelfrmige

Zementitkristalle) aus der Schmelze

Phasengebiet DCF: Schmelze + Primrzementit

Phasengrenze CF: Erstarrung der Restschmelze zu Ledeburit I


68


4,3% C < 6,67%

unterhalb CF: Ledeburit I + Primrzementit

weitere Abkhlung: Ausscheidung von Sekundrzementit aus Austenit

des Ledeburits Anlagerung an vorhandene Zementitkristalle


69


4,3% C < 6,67%

Phasengrenze SK: eutektoider Zerfall der Austenitkristalle des Lede-

burits Perlit

unterhalb SK: Ledeburit II + Primrzementit


70

Stahlecke


71

fr das Verstndnis der Vor-

gnge im Gefge bei einer

Wrmebehandlung des Stahls

ist der linke untere Teil des

EKD, die sogenannte Stahl-

ecke (C 2,06%, 1200 C)

von groer Bedeutung

Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Stahlecke

Einfhrung


72

vollstndige Erstarrung, aber viele Gefgeumwandlungen, die fr die An-

wendbarkeit und den Erfolg vieler Wrmebehandlungen entscheiden sind

Gefge eines Stahls oberhalb GSE: Austenit Phasengebiet oberhalb GSE:

Austenitgebiet


Einfhrung


73


Detailansicht


74


Vergleich mit Grundtyp II


75


Vergleich mit Grundtyp II

Grundtyp II Stahlecke


76

Erstarrungs-vorgnge

Sthle

0% C < 0,02%


77


0% C < 0,02%

Phasengrenze GS (auch Ac3- bzw. Ar3-Linie): Umwandlung von Auste-

nit in Ferrit (beginnend an den Korngrenzen)

Phasengebiet GSP: Austenit + Ferrit

Phasengrenze GP: Umwandlung des Restaustenits in Ferrit abge-

schlossen

Phasengebiet GPQ: Ferrit

weitere Abkhlung

0,012% C < 0,02%

Phasengrenze PQ: Diffusion von

C aus dem Eisen-Kristallgitter ferritisches Gefge mit Ter-tirzementit an den Korngrenzen

C < 0,012%: ferritisches Gefge


78


Ferritbildung im Gebiet GSP


79




80




81

Erstarrungs-vorgnge

Sthle

0,02% C < 0,8%


82


0,02% C < 0,8% untereutektoide/unterperlitische Sthle

Phasengrenze GS: Umwandlung von Austenit in Ferrit (beginnend an

den Korngrenzen)

Bildung eines Ferritnetzes und Anreicherung des Austenits mit C (geringe

C-Lslichkeit von Ferrit)

Phasengrenze PS: Aufnahmefhigkeit des Austenits fr C ist erschpft

Austenitzerfall in eutektoider Reaktion: Austenit Ferrit + Perlit

weitere Abkhlung: keine weiteren Gefgeumwandlungen ferri-tisch-perlitisches Gefge bei RT


83


0,02% C < 0,8% untereutektoide/unterperlitische Sthle

C = 0,8%: keine voreutektoide Ferritbildung, rein perlitisches Gefge

Austenitzerfall bei Erreichen der eutektoiden Temperatur (723 C)

vereinfachte Darstellung der Perlitbil-dung (plattenfrmig nebeneinander an-geordneten Ferrit- & Zementitkristallen)


84

Erstarrungs-vorgnge

Sthle

0,8% C < 2,06%


85


0,8% C < 2,06% bereutektoide/berperlitische Sthle

Phasengrenze SE (auch Accm- bzw. Arcm-Linie): Ausscheidung von

Sekundrzementit an den Austenitkorngrenzen ( sogenannter Schalenzementit)

Schalenzementit ist im Stahl wegen versprdender Wirkung uner-

wnscht

Sthle mit C > 0,8% sind daher nicht mehr kaltverformbar

Phasengebiet SKE: Austenit + Sekundrzementit

Phasengrenze SK: Zerfall des Restaustenits zu Perlit

unterhalb SK: Perlit + Sekundrzementit (zustzlich Ausschei-

dung von Tertirzementit)

C100 mit hellem Sekundrzementit an ehemaligen Austenitkorngrenzen


86


EKD vereinfachte Darstellung und Gefgestruktur


87


EKD vereinfachte Darstellung und Gefgestruktur


88


EKD Gefgestruktur in C60

Diagramm Gefgebestandteile: 75% Perlit, 25% Ferrit

Bestimmung der Phasenanteile Hebelbeziehung:

0,6% C-Atome bauen 9% Zementit auf, die aber 75% des Gefges (im Perlit)

als harte, sprde Lamellen durchsetzen

Gefgestruktur in C15?

Ferrit

Zementit


89


Gefgebestandteile und Lage im EKD


90

Einflu von Legierungselementen

auf das EKD


91


Einflu von Legierungselementen auf das EKD

Legierungselemente knnen zu signifikanten Vernderungen im EKD fhren

Verschiebung des eutektischen Punktes bzgl. Temperatur und C-Konzentra-

tion


92

Glossar


93

Austenit (nach SIR W.C. ROBERTS-AUSTEN, 1843 1902):

Bezeichnung fr Stahl, bei dem das Eisen in

einem kfz-Gitter vorliegt

Austenit entsteht bei der Abkhlung aus der

Schmelze unterhalb von Ac3, Fe-Atome ordnen

sich zu einem kfz-Gitter, das Platz fr ein

C-Atom bietet

Besetzungdichte im Einlagerungsmischkristall: max. jede

dritte Elementarzelle ist wegen Gitterverzer-rungen mit

einem C-Atom besetzt

Glossar Kurzbeschreibung der wichtigsten Gefge


94

Austenit:

C-Lslichkeit: 2,06% (bei 1147 C), 0,83% (bei 723 C)

sehr gute Verformbarkeit: 12 Gleitmglichkeiten

in 4 Gleitebenen

austenitischer Stahl kann nicht normalgeglht und nicht

abschreckgehrtet werden (Umwandlung Austenit Perlit +

Ferrit/Zementit)

sehr zh, hochwarmfest & korrosionsbestndig



95

Ferrit:

Bezeichnung fr Stahl, bei dem das Eisen in einem krz-

Gitter vorliegt

Ferrit entsteht bei Abkhlung von Austenit unter

die GSK-Linie

C-Lslichkeit: max. 0,02% (bei 723 C)

nicht sehr fest, gut umformbar (8 Gleitmglichkeiten)

in bereutektoiden Sthlen (C > 0,8%) tritt Ferrit nur im

Perlit auf



96

Ledeburit (nach ADOLF LEDEBUR, 1837 1906):

Phasengemisch aus (zerfallenem) Austenit und

Zementit

Unterscheidung in Ledeburit I und Ledeburit

II

Ledeburit I (unterhalb 1147 C): Gefge aus

primr ausgeschiedenem Austenit und Primr-

zementit (und ankristallisiertem, aber nicht

sichtbarem Sekundrzementit)



97

Ledeburit:

Ledeburit II (bei RT): Gefge aus Perlit (aus eutektoi-

dem Zerfall von Austenit) und Sekundrzementit (und an-

kristallisiertem, aber nicht sichtbarem Tertirzementit)

Perlit:

Bezeichnung fr ein feinkrniges Kristallgemisch aus Fer-

rit und Zementit mit oft lamellarer Verteilung

hohe Festigkeit



98

Zementit:

chemisch Trieisencarbid, Fe3C

Zementit entsteht bei Abkhlung von Austenit unter die

PSE-Linie

C-Gehalt: 6,67%, kompliziertes Kristallgitter

sehr fest, hart & sprde



99

Zementit:

Unterscheidung nach Herkunft:

Glossar

Zementittyp Beschreibung

Primrzementit Bildung aus der Schmelze (fr C > 4,3%)

Sekundrzementit Ausscheidung aus bersttigten Austenit-Kristallen (fr C > 0,8%)

Tertirzementit Ausscheidung aus bersttigten Ferrit-Kristallen (fr C > 0,00001%)

Kurzbeschreibung

der wichtigsten Gefge


100

Glossar Zusammenfassung


101

Kohlenstoff als Legierungselement


102

Eigenschaften eines Werkstoffes als Haufwerk verschiedener Phasen werden

von diesen geprgt und sind abschtzbar ( Hebelbeziehung)

Eigenschaften Ferrit Austenit Zementit Graphit

Stoff/Gitter -Fe, krz -Fe, kfz Fe3C, rhombo-

edrisch C, hexagonales

Schichtgitter

Hrte weich, 60HV hart, 800HV sehr weich

Verform-barkeit

hoch sehr hoch keine, sprde keine, sprde

sonstige ferro-

magnetisch para-

magnetisch ferro-

magnetisch fest-

schmierend

Einflu auf mechanische Eigenschaften


103

Sthle:

mit steigendem C-Gehalt kommt zum reinen

Ferrit Zementit hinzu, zunchst im Perlit

bei 0,8% C: Stahl ist rein perlitisch: HB & Rm,

Verformungskennwerte (A, Z)

C > 0,8%: Sekundrzementit an den Korngren-

zen schwcht den Zusammenhalt zwischen den Kristallen Rm , aber HB

unter- bis bereutektische Legierungen gehren zu den Guwerkstoffen

( WS 8)

Rm x 10/MPa

Einflu auf mechanische Eigenschaften


104

C erniedrigt die Schmelztemperaturen erst bei greren C-Gehalten (> 3%)

gnstig durch niedriges Schwindma (1 1,5%)

Stahlgu (C < 1,2%) ist wegen der Ausscheidung von -Mischkristallen in der

Schmelze nicht dnnwandig vergiebar, hohes Schwindma (1,5 2%)

Umformtemperaturen liegen im Austenitgebiet unterhalb der Soliduslinie

Gefge ist homogen austenitisch

Gefahr von Rissen

Gieen

Warmumformen

Einflu auf technologische Eigenschaften


105

C-arme Sthle sind bei hheren Temperaturen leichter verformbar

Ferrit lt strkere Umformungen zu

sprder Zementit vermindert Bruchdehnung und einschnrung

Grenze des Kaltumformens liegt bei etwa 0,8% C

Kraft- und Arbeitsbedarf steigen mit dem C-Gehalt

kugelige Form der Zementitkristalle erhht die Kaltformbarkeit

Warmumformen

Kaltumformen



106

Schnittkraft und Schneideverschlei steigen mit dem Zementitanteil, bei

kugeliger Zementitausbildung werden sie vermindert

C in Graphitform (Gueisen) erleichtert das Spanen durch Schmierwirkung

Sthle mit hherem C-Gehalt und kleiner Bruchdehnung sind rigefhrdet

Schweieignung hngt von der Fhigkeit ab, die beim Schweien entstehen-

den Spannungen durch kleine plastische Verformungen abbauen zu knnen

Spanen

Schweien



107

merkliche Hrtesteigerung nach dem Abschrecken ist ab 0,3% C festzustel-

len, sie steigt bis 0,8% C und bleibt dann konstant

Hrten/Vergten



108

Vielen Dank fr Ihre Aufmerksamkeit!

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Werkstoffe 5 - Legierungssystem Eisen-Kohlenstoff