WK1 L__C20 - ZTU-Diagramme der eutektoiden Umwandlung von Stählen

Question 1

Wie verändern sich Phasenumwandlungen, wenn man die Abkühlgeschwindigkeiten erhöht und bei welchen Umwandlungen ist es besonders ausgeprägt?

Answer 1

• Sie werden zu tieferen Temperaturen verschoben<div>- Bei Festkörperreaktionen stärker als bei Erstarrungen, da die Diffusion sowieso erschwert ist</div>

Question 2

Wie verändert sich die eutektoide Umwanldung im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm wenn die Abkühlgeschwindigkeit stark erhöht wird?

Answer 2

”- Alle Phasengrenzen verschieben sich, auch die Linien SE und SG sind quasi über den Punkt S hinaus extrapoliert<div>- Links von S wird die Ferrit-, rechts die Sekundärzementitbildung unterdrückt, da nur wenig Zeit zur Umwandlung bleibt und sich keine großen Kristalle ausbilden können</div><div>- Innerhalb des Feldes II kommt es zur Ausbildung von reinem perlitischen Gefüge</div><div> - Unter0,8^m/_obilden sich entsprechend dünnere Zementitlamellen, darüber dickere</div><div>- Unter- bzw. übereutektoider C-Gehalt kann also durch die Abkühlgeschwindigkeit kompensiert werden</div><div><br></br></div><div><br></br><div><br></br></div><div><img></img></div></div>”

Question 3

Welches Optimierungsproblem ergibt sich bei der Abkühlung von Stoffen?

Answer 3

• Große Unterkühlung: Starke Keimbildung, aber wenig Diffusion<div>- Kleine Unterkühlung: Wenig Keimbildung, aber viel Diffusion</div><div><br></br></div><div>–> Es muss also eine maximale Umwandlungsgeschwindigkeit geben</div>

Question 4

Wie sieht das Temperatur-Umwandlungsgeschwindigkeits-Diagramm von typischem Stahl aus?

Answer 4

”- Maximale Umwandelgeschwindigkeit liegt bei ca 550°, ein sehr typischer Wert für Stahl<br></br><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 5

Was muss passieren, damit sich aus Austenit Perlit bilden kann?

Answer 5

”- Eisen und C-Atome müssen ihre Plätze tauschen<div>- Bei D = 10^-20cm²/s gilt jegliche Diffusion als unterbunden</div><div>- Für Eisen liegt das etwa bei 460°, während C hier noch gut diffundiert</div><div>- Solange die Fe-Atome an der Diffusion teilnehmen, wird weitherin eine feinlamellare Perlitstruktur gebildet</div><div><br></br></div><div><img></img><img></img></div>”

Question 6

Was ist Bainit und wie entsteht er?

Answer 6

”- Kühlt man Austenit so stark ab, dass die Fe-Atome nicht mehr an der Diffusion teilnehmen, so kommt es zur Bainitbildung<div>- Es fehlt Zeit zum Aufbau von Zementitlamellen zwischen den Ferritlamellen</div><div>- Es kommt zur Bildung kleiner <b>Zementitpartikelchen</b></div><div>- Bei Temperaturen zwischen 400 und 550° können diese Partikelchen noch zusammen wachsen (<b>oberer Bainit</b>)</div><div>- Unterhalb von 400^° wachsen die Partikelchen nicht mehr zusammen (<b>unterer Bainit</b>)</div><div>- Bainit wird auch <b>Zwischenstufengefüge</b> genannt</div><div><br></br></div><div><img></img></div><div><img></img></div>”

Question 7

Was kann in einem Gefügebild von Bainit häufig erkannt werden, wenn die Abkühlung sehr schnell erfolgte?

Answer 7

Reste von Austenit (sog. <b>Restaustenit</b>), die sich nicht vollständig gewandelt haben

Question 8

Wie sind die Übergänge zwischen Perlit und Bainit ausgeprägt?

Answer 8

• Bei unlegierten Stählen sind die Übergänge eher fließend<div>- Durch Legierungselemente wie Ni, Cr, Mo oder B kann es zu einer scharfen Trennung kommen</div>

Question 9

Was passiert mit den Werkstoffkennwerten bei steigender Abkühlgeschwindigkeit?

Answer 9

• Grober Perlit -> Feiner Perlit -> Oberer Bainit -> Unterer Bainit<div>- Steigerung der Festigkeit bei Abnahme der Zähigkeit</div>

Question 10

Wann kommt es zur Bildung von Martensit?

Answer 10

”- Die Abkühlgeschwindigkeit ist noch höher als die benötigte Geschwindigkeit zur Bildung von Bainit<div>- Nicht nur die Fe-Atome nehmen nicht mehr an der Diffusion teil, auch die C-Atome können nicht mehr wandern</div><div>- Man erwartet, dass derγ-MK sich nicht wandelt und bei tiefen Temperaturen bestehen bleibt</div><div>- Allerdings <b>wandelt sich derγ-MK mit Schallgeschwindigkeit inα-MK</b></div><div>- Die in der Oktaederlücke desγ-MK eingebauten C-Atome verbleiben in der viel zu kleinen Oktaederlücke desα-MK</div><div>- Dasα-Gitter wird tetragonal verzerrt, im Extremfall kann das Eisen sogar Risse bekommen oder brechen</div><div>- Das Gefüge ist sehr hart, <b>feinnadelig</b> und <b>bricht spröde</b> ohne plastische Verformung</div><div>- Links ist das kfz Gitter und rechts das krz Gitter, man sieht deutlich die Verkleinerung der Oktaederlücke</div><div><img></img><img></img></div>”

Question 11

Wovon ist die erforderliche Temperatur zur Martensitbildung abhängig?

Answer 11

”- Vom C-Gehalt des Stahls<div>- Es gibt zwei wichtige Temperaturen, die Martensitstarttemperatur M_Sund die Martensitfinishtemperatur M_f</div><div>- Wird M_fnicht erreicht, so wird das Austenit nicht vollständig umgewandelt und es verbleibt ein Restaustenit im Gefüge</div><div>- Wie man sieht, kann M_fauch deutlich unter 0° liegen</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 12

“Beschreibe folgende Bilder:<div><img></img></div>”

Answer 12

• Bild 1: Sehr langsames Abkühlen, A_r3ist das voreutektoide Umwandeln, beiA_r1folgt die eutektoide Umwandlung<div>- Bild 2: Etwas schnelleres Abkühlen,A_r3ist schon stark abgeschwächt</div><div>- Bild 3: Noch schnelleres Abkühlen,A_r3ist vollkommen unterdrückt undA_r1fällt unter 500°, es ensteht Bainit</div><div>- Bild 4: Schnellstes Abkühlen, wandelt sich mit Unterschreiten von M_Sdiffusionslos in Martensit um</div>

Question 13

Warum sind enge Maßtoleranzen beim martensinitischen Härten nicht zu halten?

Answer 13

• Durch den Zwangseinbau von C in dasα-Gitter kommt es zu einer starken tetragonalen Verzerrung<div>- Das Werkstück dehnt sich aus</div>

Question 14

Wovon hängt die Härte eines gehärteten Stahls ab?

Answer 14

”- Vom C-Gehalt<div>- Von Martensitanteil</div><div>- Für 100% Martensit ergibt sich eine degressive Linie bis etwa 0,8 ^m/_oC und einer Härte von <b>max. 65 HRC</b></div><div>- Bestimmte Legierungselemente verschieben die M_fTemperatur nach unten und sorgen so für eine anteilige Martensitbildung</div><div>- Die 50 % Kurve verläuft in etwa gleich, man verliert allerdings ca. 15 HRC</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 15

Welche 2 Möglichkeiten der Abkühlung gibt es?

Answer 15

”- Kontinuierliche Abkühlung d.h. stetig sinkende Temperatur<div>- Isotherme Abkühlung d.h. Abschrecken auf eine Temperatur und dann halten dieser Temperatur</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 16

Wie sieht die isotherme Umwandlung eines unlegierten Stahles mit ca. 0,8 % C aus?

Answer 16

”- Keine voreutektoiden Ferrit- oder Zementitausscheidungen<br></br><div>- Die Umwandlung erfolgt rein perlitisch</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 17

Wie sieht die isotherme Umwandlung eines untereutektoiden Stahls aus?

Answer 17

”- Zwischen A_C1und A_C3kommt es nur zur Ferritausscheidung<div>- UnterA_C1kommt es nach einer gewissen Zeit auch zu Perlitausscheidung, der eutektoiden Reaktion</div><div>- Die Zeit bis zur voreutektoiden Ferritausscheidung und Bainitausscheidung liegt meistens bei nur etwa 0,5 s</div><div><div><br></br></div><div><img></img></div></div>”

Question 18

Welchen Einfluss haben Legierungselemente auf die isothermen Umwandlungen?

Answer 18

”- Merkliche Verschiebung der Umwandlungen<div><br></br></div><div>- Einige Zehntel ^m/_oCr oder Mo, aber auch Mn-Gehalte von mehr als 1^m/_o</div><div> - Allmähliche Trennung von ferritisch-perlitisch und bainitischer Umwandlung</div><div> - Ferritnase steigt in der Temperatur</div><div><br></br></div><div><img></img></div><div><br></br></div><div>- > 1^m/_oCr oder Mo</div><div> - Ferritnase steigt auf Temp. zw. 600 und 700 Grad</div><div> - Bainitnase sinkt zwischen 400 und 500 Grad</div><div><br></br></div><div><img></img></div><div><br></br></div><div><div>- > 2^m/_oCr oder Mo</div><div> - Ferrit und Bainitphasen trennen sich</div></div><div> - In der Zwischenstufe bleibt derγ-Mk <b>metastabil</b> enthalten</div><div><br></br></div><div><img></img></div><div><br></br></div><div><div><div>- > 7^m/_oCr</div><div> - Bainitstufe wird unter M_Sgedrückt, die Zwischenstufe ist somit vollständig unterdrückt</div></div></div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 19

Welchen Einfluss haben die Legierungselemente Cr, Mo, C, Mn und Ni?

Answer 19

• Cr: Ferrit-Perlit und Bainitstufe werden mit zunehmendem Gehalt zu höheren Zeiten verschoben<div><br></br></div><div>- Mo: Ferrit-Perlit und Bainitstufe werden mit zunehmendem Gehalt zu höheren Zeiten verschoben</div><div><br></br></div><div>- C: In höheren Gehalten werdenFerrit-Perlit und Bainitstufe mit zunehmendem Gehalt zu höheren Zeiten verschoben</div><div><br></br></div><div>- Mn: In höheren Gehalten werdenFerrit-Perlit und Bainitstufe mit zunehmendem Gehalt zu höheren Zeiten verschoben</div><div><br></br></div><div>- Ni: Perlitbildung wird etwa um den Faktor 10 verschoben, Bainit bleibt stabil</div>

Question 20

Wieso wird Bor selten als Legierung eingesetzt?

Answer 20

• Es bedarf nur sehr kleiner Mengen Bor<div>- Es ist sehr schwierig diese kleinen Mengen gleichmäßig in der Schmelze zu verteilen</div>

Question 21

“<div>Was ist die schnellste ferritisch-perlitische Umwandlung und was die schnellste Bainitumwandlung in diesem Diagramm?</div><img></img>”

Answer 21

• Ferritisch-Perlitisch: ca. 680°, Härte anschließend 240 HV<div>- Bainitstufe: Kurz über M_S, Härte dann zwischen 35 und 47 HRC</div>

Question 22

Welcher Unterschied ergibt sich zwischen unter- und übereutektoiden C-Gehalten in isothermen ZTU-Diagrammen?

Answer 22

• Untereutektoid: Voreutektoide <b>Ferrit</b>ausscheidung<div>- Übereutektoid: Voreutektoide <b>Zemenetit</b>ausscheidung</div>

Question 23

Wie werden kontinuierliche ZTU-Diagramm erstellt?

Answer 23

Die Längenänderung von Stäbchenproben werden bei kontrollierten Abkühlbedinungen gemessen

Question 24

Was ist der Unterschied zwischen isothermen und kontinuierlichen ZTU-Diagrammen?

Answer 24

”- Isotherme ZTU-Diagramme sind für isotherme Haltezeiten<div>- Kontinuierliche ZTU-Diagramme sind für kontinuierliche Abkühlungen</div><div>- Unten sind Diagramme für den gleichen Werkstoff dargestellt</div><div><br></br></div><div><img></img><img></img></div>”

Question 25

Wie sind die Nullpunkte der Zeitzählung für die isothermen bzw. kontinuierlichen ZTU Diagramme definiert?

Answer 25

• Isotherm: Der Moment des Eintauchens in die Abschreckprobe<div>- Kontinuierlich: Das Überschreiten der A₃bzw. A_cmLinie</div>

Question 26

“Wie wird dieses Diagramm abgelesen, wenn die Abkühlung z.B. über die 28-er Linie erfolgt?<br></br><div><img></img></div>”

Answer 26

• Die Mengenanteile der verschiedenen Gefügebestandteile werden als Prozentsatz an die jeweiligen Phasenlinien geschrieben<div>- So ergibt sich z.B. für die 28-er Linie:</div><div> - 7 % voreutektoides Ferrit</div><div> - 5 % Perlit</div><div> - 85 % Bainit</div><div> - 3 % Martensit</div>

Question 27

Welche Abkürzungen gelten in ZTU-Diagrammen?

Answer 27

• F: voreutektoider Ferrit<div>- A: Austenit</div><div>- P: Perlit</div><div>- B: Bainit (Zwischenstufengefüge)</div><div>- M: Martensit</div><div>- K: voreutektoider Zementi (Karbid)</div>

Question 28

Was geben die Abkürzungen in den Feldern jeweils an?

Answer 28

• Es wird nur angegeben, was in diesem Feld gebildet wird<div>- Natürlich liegen in den Felder dabei auch noch nicht umgewandelter Austenit, sowie bereits zuvor gebildete stabile Gefügebestandteile vor</div>

Question 29

Wie sieht das kontinuierliche ZTU-Diagramm eines typischen Warmarbeitsstahls aus?

Answer 29

“<div>- Die Bainitstufe ist durch die Legierungen zu hohen Zeiten bei niedrigen Temperaturen verschoben</div><div>- Kühlt man den Stahl mit 1°/min ab, so wird alles Austenit und Ferrit-Perlit umgewandelt und man hat keine harten, schwer zerspanbaren Bainit- oder Martensitanteile</div><div><br></br></div><img></img>”

Question 30

Was ist der Abkühlungsparameterλ?

Answer 30

• Wird für schnelle Abschreckbedingungen eingesetzt<div>- Gibt die Zeit an, die zur Abkühlung von 800 auf 500 ° benötigt wird</div><div>- Die Zeit wird dabei in Hektosekunden angegeben</div><div>- 1 Hektosekunde entspricht 100 Sekunden</div>