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Darstellung und Beschreibung des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms, Abkühlungsvorgänge & Phasenumwandlungen
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WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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5. LEGIERUNGSSYSTEM EISEN-KOHLENSTOFF
5.1. REINES EISEN
5.2. EISEN-KOHLENSTOFF-DIAGRAMM
5.3. KOHLENSTOFF ALS LEGIERUNGSELEMENT
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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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
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Reines Eisen
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Eigenschaften
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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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
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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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
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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
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Umwandlungen
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Umwandlungen
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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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
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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-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
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-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
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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
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Bestimmung des Umwandlungspunkts mittels Dilatometrie:
Umwandlung krz (68% PD) kfz (74% PD) ist mit einer sprunghaften Volu-
menabnahme verbunden
Umwandlungen
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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
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Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Einleitung
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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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
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Gitterlcken
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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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
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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)
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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)
Einleitung Gitterlcken im und -Eisen
Tetraederlcken (TEL)
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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)
Einleitung Gitterlcken im und -Eisen
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Einleitung Gitterlcken im und -Eisen
Lcke A: Tetraederlcke Lcke B: Oktaederlcke
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groe Lcken im Zentrum des Wrfels
Einlagerung eines Fremdatoms bis zum
maximalen Durchmesser d = 103 pm
Einleitung Gitterlcken im -Eisen
Oktaederlcken (OEL)
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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)
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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
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Erstarrungsformen
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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)!
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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
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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)
Einleitung Verbindungsphase: Zementit
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Frderung der Zementitbildung: Anwesenheit von sogenannten Carbidbild-
nern (Mn, Mo, Zr, V) und rasche Abkhlung der Schmelze
Einleitung Verbindungsphase: Zementit
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-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
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thermodynamisch stabile Phase mit Schichtstruktur
Fe-C-Legierungen mit Graphit sind Grundlage fr die Erzeugung von Gu-
eisenwerkstoffen ( WS 8)
Einleitung stabile Phase: Graphit
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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
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Einleitung bersicht Erstarrungsformen
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Einleitung bersicht Erstarrungsformen
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Aufbau des EKD
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Aufbau des EKD Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
Aufbau
eutektisches Teilschaubild
eutektoides Teilschaubild
peritektisches Teilschaubild
nur fr hochlegierte Sthle bedeutend
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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
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Aufbau des EKD Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
Aufbau
Liquiduslinie ABCD
Soliduslinie AHIECF
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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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
Aufbau des EKD Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
Legierungs-gruppen
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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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
Aufbau des EKD Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
Legierungs-gruppen
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Aufbau des EKD Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
berblick
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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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
Aufbau des EKD Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
metastabiles System
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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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
Aufbau des EKD Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
stabiles System
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Erstarrungs-vorgnge
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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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
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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
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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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
untereutektische Legierungen
bereutektische Legierungen
metastabiles System
Verhalten wie Grundtyp II
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System
Sthle
0% C < 0,1%
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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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
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Sthle
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
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System
Sthle
0,1% C < 0,16%
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Sthle
0,1% C < 0,16%
AB (Liquiduslinie): Ausscheidung von -Ferrit aus der Schmelze
Phasengebiet ABH: -Ferrit + Schmelze
HI (Peritektikale): peritektische Reaktion: -Ferrit + S Austenit
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Sthle
0,1% C < 0,16%
Phasengebiet HNI: -Ferrit + Austenit
Phasengrenze IN: Umwandlung des Restferrits in Austenit
unterhalb IN: austenitisches Gefge
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System
Sthle
0,16% C < 0,51%
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Sthle
0,16% C < 0,51%
AB (Liquiduslinie): Ausscheidung von -Ferrit aus der Schmelze
Phasengebiet ABH: -Ferrit + Schmelze
HI (Peritektikale): peritektische Reaktion: -Ferrit + S Austenit
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Sthle
0,16% C < 0,51%
Phasengebiet BIEC: Schmelze + Austenit (Ausnahme: C = 0,16%)
IE (Soliduslinie): Erstarrung der Restschmelze zu Austenit
unterhalb IE: austenitisches Gefge
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System
Sthle
0,51% C < 2,06%
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Sthle
0,51% C < 2,06%
BC (Liquiduslinie): Ausscheidung von Austenit aus der Schmelze
Phasengebiet BIEC: Austenit + Schmelze
Phasengrenze IE: Erstarrung der Restschmelze zu Austenit
unterhalb IN: austenitisches Gefge
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System
untereutektische Legierungen
2,06% C < 4,3%
Gueisen
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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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
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Gueisen
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
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Gueisen
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
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System
bereutektische Legierungen
4,3% C < 6,67%
Gueisen
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Gueisen
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
WERKSTOFFE 5 Dr. Bernd Stange-Grneberg, Februar 2014
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Gueisen
4,3% C < 6,67%
unterhalb CF: Ledeburit I + Primrzementit
weitere Abkhlung: Ausscheidung von Sekundrzementit aus Austenit
des Ledeburits Anlagerung an vorhandene Zementitkristalle
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Gueisen
4,3% C < 6,67%
Phasengrenze SK: eutektoider Zerfall der Austenitkristalle des Lede-
burits Perlit
unterhalb SK: Ledeburit II + Primrzementit
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70
Stahlecke
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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
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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
Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Stahlecke
Einfhrung
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Stahlecke
Detailansicht
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Stahlecke
Vergleich mit Grundtyp II
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Stahlecke
Vergleich mit Grundtyp II
Grundtyp II Stahlecke
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Erstarrungs-vorgnge
Sthle
0% C < 0,02%
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Stahlecke
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
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Stahlecke
Ferritbildung im Gebiet GSP
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Stahlecke
Ferritbildung im Gebiet GSP
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Stahlecke
Ferritbildung im Gebiet GSP
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Erstarrungs-vorgnge
Sthle
0,02% C < 0,8%
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Stahlecke
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
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Stahlecke
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)
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Erstarrungs-vorgnge
Sthle
0,8% C < 2,06%
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System: Stahlecke
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
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System
EKD vereinfachte Darstellung und Gefgestruktur
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System
EKD vereinfachte Darstellung und Gefgestruktur
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System
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
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System
Gefgebestandteile und Lage im EKD
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Einflu von Legierungselementen
auf das EKD
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Erstarrungs-vorgnge metastabiles System
Einflu von Legierungselementen auf das EKD
Legierungselemente knnen zu signifikanten Vernderungen im EKD fhren
Verschiebung des eutektischen Punktes bzgl. Temperatur und C-Konzentra-
tion
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Glossar
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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
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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
Glossar Kurzbeschreibung der wichtigsten Gefge
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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
Glossar Kurzbeschreibung der wichtigsten Gefge
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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)
Glossar Kurzbeschreibung der wichtigsten Gefge
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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
Glossar Kurzbeschreibung der wichtigsten Gefge
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Zementit:
chemisch Trieisencarbid, Fe3C
Zementit entsteht bei Abkhlung von Austenit unter die
PSE-Linie
C-Gehalt: 6,67%, kompliziertes Kristallgitter
sehr fest, hart & sprde
Glossar Kurzbeschreibung der wichtigsten Gefge
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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
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100
Glossar Zusammenfassung
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Kohlenstoff als Legierungselement
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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
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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
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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
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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
Einflu auf technologische Eigenschaften
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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
Einflu auf technologische Eigenschaften
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merkliche Hrtesteigerung nach dem Abschrecken ist ab 0,3% C festzustel-
len, sie steigt bis 0,8% C und bleibt dann konstant
Hrten/Vergten
Einflu auf technologische Eigenschaften
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Vielen Dank fr Ihre Aufmerksamkeit!