Werkstoffkunde I WS 05 06 Episode 7 pot

2.10 Eisen-Kohlenstoffdiagramm Seite 147 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Prinzipielles Zweistoffsystem Prinzipiell: vollständige Löslichkeit im flüssigen Zustand begrenzte Löslichkeit im festen Zustand => eutektisches System Eutektikum (E) bei 4,3 m%C Eutektikale bei T=1147°C (metastabil) eutektisches Gefüge: Ledeburit 0 1 2 3 4 5 % C 6 6,67 0 20 40 60 80 % Fe 3 C 100 1600 1400 °C 1200 1000 800 600 400 Eutektikum ( Ledeburit) 4,3 %C Zementit Schmelze Eisen E Allotropie des Eisen 1536 1392 °C 911 769 (Curie-Temp.) Zeit Temperatur Abkühlkurve von Reineisen Eisen ist allotrop, d.h. bei verschiedenen Temperaturen nimmt es unterschiedliche Gitterstrukturen an: -bis 911°C D-Eisen (Ferrit) - 911 bis 1392°C J-Eisen (Austenit) - 1392 bis 1536°C G-Fe - ab 1536°C flüssig G-Fe: kubisch-raumzentriert wie D-Fe oberhalb der Curietemperatur J-Fe: kubisch flächenzentriert (dichter gepackt => Volumenschrumpfung beim Übergang D => J nicht magnetisch D-Fe: kubisch raumzentriert bis 769°C ferromagnetisch bei höheren Temperaturen para- (nicht) magnetisch E-Fe D-Fe (magnetisch) J-Fe D -Fe (nicht mag.) G-Fe 2.10 Eisen-Kohlenstoffdiagramm Seite 148 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Nomenklatur 1536 1392 °C 911 769 Zeit Temperatur Abkühlkurve von Reineisen Die Temperaturen der Umwandlungspunkte sind mit „A“ (Arrêt = halten) gekennzeichnet und nummeriert: - 1536 °C: Erstarrungspunkt von Reineisen (ohne Indizes) - 1392 °C: A 4 Punkt J-Eisen - 911°C: A 3 -Punkt unmagnetisches D-Eisen - 769°C: A 2 -Punkt ferromagnetisches D-Eisen Kohlenstoffgehalt > 0,02%: - 723 °C: A 1 -Punkt eutektoide Umwandlung Die Umwandlungstemperaturen sind beim Aufheizen und Abkühlen unterschiedlich (vor allem bei schnellem Temperaturwechsel), daher: Umwandlung beim Aufheizen mit „c“ gekennzeichnet Umwandlung beim Abkühlen mit „r“ gekennzeichnet franz.: c = chauffage (Heizen) r = refroidissement (Abkühlen) Beispiel: Ac 1 -Temperatur A 4 A 3 A 2 D J D G Differential-Thermo-Analysegerät Differential-Thermo-Analysegerät (offen) Messkopf mit Tiegeln Messkopf ohne Tiegel (mit Thermoelementen) Pt-Draht Pt/Rh-Draht Schweißperlen Probe Referenz Messprinzip: – der Probenraum wird langsam erwärmt (abgekühlt) – an Probe und Referenz werden die Temperatur-Differenzen gemessen – hieraus ergeben sich die Wärmeströme (Energien) – Differenzen der Wärmeströme sind auf Phasenübergänge der Probe zurückzuführen – Beispiel: zusätzlicher Energieverbrauch beim Aufschmelzen fester Phasen 2.10 Eisen-Kohlenstoffdiagramm Seite 149 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach maximale Kohlenstoffgehalte: D-Fe: 0,02 % bei 723 °C J-Fe: 2,06 % bei 1147°C -in J-Fe ist 100-mal so viel Kohlenstoff löslich wie in D-Fe => hierin liegt die Voraussetzung für das Härten von Stahl - sowohl im J-Gebiet wie im D-Gebiet nimmt die max. Löslichkeit von Kohlenstoff mit sinkenden Temperaturen ab Abnahme der löslichen Kohlenstoffmenge: J-Fe 0,8% bei 723 °C D-Fe 0% bei Raumtemperatur Löslichkeit von Kohlenstoff im Mischkristall 0 1 2 3 4 5 %C 6 6,67 0 20 40 60 80 %Fe 3 C 100 1600 1400 C° 1200 1000 800 600 400 4,3%C J-Fe G-Fe D-Fe Zementit 0,02%C 2,06%C 723°C 1147°C Schmelze Eutektikum (Ledeburit) S+Z Löslichkeit von Kohlenstoff im Mischkristall Löslichkeit und mögliche Lagen des Kohlenstoffs im Fe-Gitter bei unterschiedlichen Modifikationen des Eisens: J-Fe: Kohlenstoff auf Würfelkante bzw. Würfelmitte D-Fe: Kohlenstoff in Würfelflächen Löslichkeit und mögliche Lagen des Kohlenstoffs im Fe-Gitter bei unterschiedlichen Modifikationen des Eisens: J-Fe: Kohlenstoff auf Würfelkante bzw. Würfelmitte D-Fe: Kohlenstoff in Würfelflächen 911°C 1392°C 2.10 Eisen-Kohlenstoffdiagramm Seite 150 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Weitere Phasen Das im eutektoiden Punkt (0,8%C, 723°C) entstehende Gefüge bezeichnet man als Perlit. Aus Gründen des thermodynamischen Gleichgewichts können (bei p=const.) in jedem Phasengebiet eines Zweiphasenschaubildes nur die benachbarten Phasen vorkommen D-Fe Legende: D-Eisen = D J-Eisen = J G-Eisen = G Schmelze = S Perlit = P Ledeburit = L Zementit = Z 4,3%C J-Fe G-Fe Zementit 0,02%C 2,06%C 723°C 1147°C 0 1 2 3 4 5%C 6 6,67 0 20 40 60 80%Fe 3 C 100 1600 1400 C° 1200 1000 800 600 400 Schmelze Eutektikum (Ledeburit) Perlit S+ J J+L P+L L+Z L+Z (S+G D + P G+ J D+J S+Z Peritektische Umwandlung (G-Fe) – peritektischer Punkt (P) bei 0,16%C – in diesem Punkt wandeln sich die 2 Phasen G-Fe und Schmelze gleichzeitig in eine Phase (J-Fe) um – eine technische Bedeutung von G-Fe gibt es (ebenso wie Schliffbilder) auf Grund der hohen Temperaturen nicht 0 1%C 1600 J-Fe G-Fe J+Schmelze Schmelze G+Schmelze P GEisen-Ecke des Fe- C-Diagramms) GJ 1536 1392 C° 1493 C° Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit C- Gehalten von 0,1-0,53% erstarren peritektisch (gr.: peri = um; tektos = gebaut). 2.10 Eisen-Kohlenstoffdiagramm Seite 151 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Eutektische Erstarrung 2 3 4 5%C 6 E u t e k t i k u m ( L e d e b u r i t ) 1147°C 723°C 1600 1400 C° 1200 1000 800 600 400 4,3 %C E - bei 1147°C und 4,3%C befindet sich der eutektische Punkt (E) des Eisen-Kohlenstoff- Systems - Eutektikum = gr.: gut geschmolzen - in diesem Punkt erstarren beide Legierungselemente gleichzeitig (gute Gießeigenschaften, da kein Erstarrungsintervall) - es entsteht zunächst ein feines Gefüge aus Austenit und Zementit - diese Zementitform wird Primär-Zementit genannt, da sie aus der Schmelze entsteht - unterhalb von 723°C zerfällt der Austenit zu Ferrit und Zementit - technische Bedeutung gibt es nur für Gusslegierungen Eutektisches Gefüge 2 3 4 5%C 6 E u t e k t i k u m ( L e d e b u r i t ) 1147°C 723°C 1600 1400 C° 1200 1000 800 600 400 4,3 %C A 4,3 %C Ledeburit [Zementit (hell) + zerfallene J-MK (dunkel)] Bereich des Gusseisen A skizziert real Schliffbilder des Gefüges bei Raumtemperatur 1147 °C : gleichzeitiges Erstarren von Primär- Zementit und J-Eisen 1147 - 723°C: Ausscheiden von Kohlenstoff als Sekundär-Zementit aus J-Eisen wegen abnehmender Löslichkeit 723 °C: eutektoider Zerfall der J-Eisen-Phase (jetzt noch 0,8%C) zu Perlit (D-Eisen und Zementit) 100:1 2.10 Eisen-Kohlenstoffdiagramm Seite 152 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Unter- und übereutektische Gefüge 2 3 4 5%C 6 E u t e k t i k u m ( L e d e b u r i t ) 1147°C 723°C 1600 1400 C° 1200 1000 800 600 400 4,3 %C E C B 5%C B C 3%C (primär) Zementit- Lamellen Ledeburit zerfallene J-MK- Dentriten (dunkel) + Ledeburit Schliffbilder des Gefüges bei Raumtemperatur: 100:1 100:1 Gusseisen 2 3 4 5%C 6 E u t e k t i k u m ( L e d e b u r i t ) 1147°C 723°C 1600 1400 C° 1200 1000 800 600 400 4,3 %C Bereich des Gusseisens A Gusseisen -Legierungen mit C-Gehalten von über 2% (und Zusätzen von Silizium) werden Gusseisen genannt -Gusseisen hat schlechte mechanische aber sehr gute Gießeigenschaften: • niedrige Gießtemperaturen =>Überhitzung möglich => gute Formfüllung • kein oder kleines Erstarrungsintervall => Vermeidung von Warmrissen • sehr geringe Schrumpfung bei GGL • Benennung der Gusseisensorten nach Graphitform: GGL, GGG, GGV • Temperguss: GTW, GTS 2.10 Eisen-Kohlenstoffdiagramm Seite 153 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Stabiles System 4,3 %C J-Fe G-Fe D-Fe Z e m e n t i t 0,02%C 2,06%C 723°C 1147°C 0 1 2 3 4 5%C 6 6,67 0 20 40 60 80%Fe 3 C 100 1600 1400 C° 1200 1000 800 600 400 Schmelze E u t e k t i k u m ( L e d e b u r i t ) P e r l i t S+ J J+L P+L L+Z L+Z (S+G D + P G+ J D+J 1153°C S+Z 738°C im stabilen System gilt: – thermodynamisches Gleichgewicht – unendlich langsame Erstarrung – Kohlenstoff als Graphit Die leicht veränderten Phasen- Gebiete sind durch die gestrichelten Linien gekennzeichnet Gefüge von Gusseisen – Gusseisen erstarrt nach dem stabilen System, Kohlenstoff bildet sich als Graphit aus. Das restliche Gefüge kann alle Gefügeformen annehmen wie bei der metastabilen Erstarrung: ferritisch, perlitisch, ferritisch-perlitisch und austenitisch – bevorzugt bilden sich lamellenförmige Graphitbereiche aus: GGL (2/3 der Weltgußproduktion) – durch Zugabe von Magnesium zur Eisenschmelze formen sich die Graphitbereiche zu Kugeln: GGG – durch eine unterbrochene Magnesiumbehandlung entsteht Vermiculargraphit: GGV GGL: Grauguss oder Gusseisen mit Lamellengraphit (ferritisch-perlitisches Gefüge) GGG: Gusseisen mit Kugelgraphit (perlitisches Gefüge) GGV: Vermiculargraphit (ferritisches Gefüge) 100:1 100:1 100:1 2.10 Eisen-Kohlenstoffdiagramm Seite 154 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Eutektoide Umwandlung des Austenits 0 1%C 2 1000 800°C 600 400 J-Fe D-Fe 723°C Perlit die eutektoide (Festkörperreaktion) Umwandlung des J-Eisens läuft prinzipiell analog zur eutektischen Reaktion (Erstarrung aus der flüssigen Phase) ab: – übereutektoide Zusammensetzungen scheiden Zementit (Sekundärzementit, da aus J-Fe) aus, bis die Konzentration 0,8%C entspricht – untereutektoide Zusammensetzungen scheiden Ferrit aus, bis die Konzentration 0,8%C entspricht – eutektoide Zusammensetzungen (0,8%C) zerfallen direkt in Perlit untereutektoid übereutektoid 0,8 Eutektoide Gefüge 0 1%C 2 1000 800°C 600 400 J-Fe D-Fe 723°C A B C CB A Perlit 0,8%C 1,2%C Ferrit Perlit (nur) Perlit Perlit (sekundär) Zementit auf Korngren- zen 0,3%C 500:1 500:1 500:1 2.10 Eisen-Kohlenstoffdiagramm Seite 155 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Zementitbezeichnungen: primär Zementit = direkt aus der flüssigen Schmelze erstarrt sekundär Zementit = aus Austenit wg. abnehmender Löslichkeit ausgeschieden tertiär Zementit = aus Ferrit wg. abnehmender Löslichkeit ausgeschieden übereutektoide Legierung (1% C) T = 1000°C Kohlenstoff komplett gelöst (Fe-MK) T = 800°C C-Löslichkeit sinkt unter 1% C wird an KG ausgeschieden Austenitkorn T = 723°C C-Gehalt im Korn auf 0,8% gesunken: Umwandlung zu Perlit an KG Umwandlung des Austenits in der festen Phase sekundär Zementit Perlit Fe-C-Legierungen mit C< 0,02% 0 1% C 2 1000 800°C 600 400 J-Fe D-Fe 723°C Schliffbilder: skizziert real Perlit 0,01%C – beim Abkühlen ferritischer Mischkristalle ( C- Gehalt bis 0,02%) sinkt die Löslichkeit des Kohlenstoffs von 0,02% auf 0 – hierbei scheidet der Fe-C-Mischkristall den nicht mehr löslichen Kohlenstoff als tertiär Zementit auf den Korngrenzen aus Ferrit (tertiär) Zementit auf Korngrenzen 2.10 Eisen-Kohlenstoffdiagramm Seite 156 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Einfluss anderer Legierungselemente die wichtigsten Veränderungen sind: – die Unterstützung der Graphitausbildung durch Zugabe von Silizium –die Ausweitung des austenitischen Bereichs durch Zugabe sogenannter Austenit-Bildner –die Einschnürung des austenitischen Bereichs durch Zugabe von Ferrit-Bildnern Werden neben Kohlenstoff weitere Legierungselemente zugegeben, so verändern diese das Aussehen des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms Werden neben Kohlenstoff weitere Legierungselemente zugegeben, so verändern diese das Aussehen des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms Austenit-Bildner T e m p e r a t u r Kohlenstoffgehalt J-Fe D-Fe G-Fe – durch Zugabe von „Austenitbildnern“ wird die Ausdehnung des J-Gebietes zu tieferen Temperaturen unterstützt – so können Stähle erzeugt werden, die auch bei Raumtemperatur eine kubisch- flächenzentrierte Gitterstruktur aufweisen – Beispiele für diese Stähle sind „VA-Stähle“ wie sie für Küchenspülen verwendet werden Austenitbildner: Ni, C, Co, Mn, N Austenitbildner: Ni, C, Co, Mn, N Achtung: Cr ist in Cr-Ni-Stählen nicht der Austenitbildner, sondern lediglich für die chemische Passivierung (Rostschutz) verantwortlich Achtung: Cr ist in Cr-Ni-Stählen nicht der Austenitbildner, sondern lediglich für die chemische Passivierung (Rostschutz) verantwortlich EKD bei hohem Gehalt an Austenitbildnern [...]... es ist ein System mit vollständiger Löslichkeit im flüssigen Zustand und begrenzter Löslichkeit von C in Fe im festen Zustand das EKD zeigt die Phasen des Zweistoffsystems Fe-C daher hat es ein Eutektikum: hier liegt mit 11 47 C der niedrigste Schmelzpunkt im Fe-C-System in diesem Punkt erstarren beide Legierungselemente gleichzeitig aus der Schmelze (zu Austenit und Zementit => Ledeburit) dabei scheiden... scheiden sich beide Phasen feinstreifig nebeneinander aus (Ledeburit) bei 0,8% C wandelt sich Austenit eutektoid (im festen Zustand) gleichzeitig zu Ferrit und Zementit (Perlit) um Diese Vorgänge ähneln stark der eutektischen Erstarrung (feinstreifige Anordnung beider Phasen) Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 3.2 Zug-, Druck- und Härteprüfung Seite 160... Eisen-Kohlenstoffdiagramm Seite 1 57 Temperatur Ferrit-Bildner durch Zugabe von „Ferritbildnern“ wird eine Einschnürung des -Gebietes hervorgerufen -Fe -Fe + -Fe Kohlenstoffgehalt Ferritbildner: Ferritbildner: Cr, Al, Ti, Ta, Si, Mo, V, W Cr, Al, Ti, Ta, Si, Mo, V, W EKD bei hohem Gehalt an Ferritbildnern Zusammenfassung I es stellt den Bereich von 0% C bis zur intermetallischen Phase Fe3C (Zementit)... Universität Hannover Torsionsbeanspruchung Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 3.2 Zug-, Druck- und Härteprüfung Seite 161 Kriterien für die Probengestaltung mechanische Kenngröße? Probe wird herausgearbeitet: – aus dem Bauteil – einem Halbzeug Probenquerschnitt: – kreisförmig – quadratisch – rechteckig – ringförmig – spezielle Form Form: – Draht – Stab – Profil Rundproben mit:... Proportionalstab: L0/d0=5 Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 3.2 Zug-, Druck- und Härteprüfung Seite 162 Zugprobenformen homogenisierter C45, nach dem Bruch Beispiele für mögliche Probenformen gehärteter C45, nach dem Bruch Prüfmaschine, Skizze Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 3.2 Zug-, Druck- und Härteprüfung Seite 163... das Ergebnis reproduzierbar und nach Maß und Zahl exakt definiert ist, – weil das Ergebnis am Probestab auf eine Konstruktion übertragbar ist, – weil die im Zugversuch ermittelten Werte auch Schlüsse auf die Kennwerte bei anderen Belastungen wie Biegung und Torsion zulassen Druckversuch, Grundlagen Druckversuch (DIN EN 50 106) Ermittlung das Verhaltens von Werkstoffen unter einachsiger, Ermittlung das... Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 3.2 Zug-, Druck- und Härteprüfung Seite 170 Zusammenfassung Der Zugversuch ist das bedeutendste der Der Zugversuch ist das bedeutendste der mechanischen Werkstoffprüfverfahren! mechanischen Werkstoffprüfverfahren! – weil dieser die wichtigsten Kennwerte für die Festigkeits- und Verformungsberechnung liefert, – weil das... Verformungsstadien eines Rundstabes (experimentell) Prüfvorrichtung mit flacher Zugprobe Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 3.2 Zug-, Druck- und Härteprüfung Seite 164 Prinzipielle Verformungsstadien eines Rundstabes – L0-Anfangsmesslänge, – Lc-Versuchslänge, – Le-Einschnürungslänge, – LG-Gleichmaßdehnungslänge, – Lu-Messlänge nach dem Bruch, – A0-Anfangsquerschnitt,... Spannungs-Dehnungs-Diagramm (kfz) Beispiel Aluminium n (1) – Zugspannung [MPa], – nNennspannung [MPa], – Rm- Zugfestigkeit [MPa], – Rp0,2- 0,2% Dehngrenze [MPa], – ttotale Dehnung [%], – eelastischer Dehnungsteil [%], – pplastischer Dehnungsteil [%], – Gleich- Gleichmaßdehnung [%], – Ein- Einschnürdehnung [%] Rm Rp0,2 p=0,2% p Gleich (1) Beispiel für p und t (1) e (1) e Ein bei vorgegebener Spannung Universität Hannover... –bleibende Dehnung Rr – Dehngrenze bei vorgegebener bleibender Dehnung (ist bei erhöhter Temperatur zu berücksichtigen) Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 3.2 Zug-, Druck- und Härteprüfung Seite 168 Vergleich von Zugfestigkeiten (Größenordnungen) Rm X40 Cr13 [MPa] 1600 1400 1200 W 1000 X35 CrMo 17 X10 CrNi 18.9 800 Baustähle 600 400 Gusseisen, Stahlguss unleg unleg Ni Fe . 2.10 Eisen-Kohlenstoffdiagramm Seite 1 47 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Prinzipielles Zweistoffsystem Prinzipiell: vollständige Löslichkeit. Seite 1 57 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr Ing. Friedrich-Wilhelm Bach Ferrit-Bildner Ferritbildner: Cr, Al, Ti, Ta, Si, Mo, V, W Ferritbildner: Cr, Al, Ti, Ta, Si,. 100 1600 1400 C° 1200 1000 800 600 400 4,3%C J-Fe G-Fe D-Fe Zementit 0,02%C 2 ,06% C 72 3°C 11 47 C Schmelze Eutektikum (Ledeburit) S+Z Löslichkeit von Kohlenstoff im Mischkristall Löslichkeit und mögliche Lagen des Kohlenstoffs im Fe-Gitter bei unterschiedlichen Modifikationen