Institut für Eisen- und Stahl Technologie. Seminar 2 Binäre Systeme Fe-C-Diagramm. Dipl.-Ing. Ch.

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1 Institut für Eisen- und Stahl Technologie Seminar 2 Binäre Systeme Fe-C-Diagramm Dipl.-Ing. Ch. Schröder 1

2 Literatur V. Läpple, Wärmebehandlung des Stahls, 2003, ISBN X H. Klemm, Die Gefüge des Eisen-Kohlenstoff-Systems, 1974 H. Schumann, H. Oettel, Metallographie, 2005, ISBN X 2

3 1. Legierungen - Technische Vielfalt der Werkstoffe zur Einstellung der Eigenschaften durch Zugabe von Legierungselementen (Metalle, Nichtmetalle) Legierung: Lösung mehrerer meist metallischer Komponenten Metallbindung bleibt überwiegend erhalten Typ. Legierungselemente für Cu-Legierungen Zn, Sn, Al, Si, Messing, Bronze für Fe-Legierungen Cr, Ni, Mo, W, Si, Mögliche Ziele: - Erhöhung der Festigkeit - Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit - Erhöhung des Verschleißwiderstandes Voraussetzung: Löslichkeit Legierungselemente beeinflussen den kristallinen Aufbau des metallischen Basiswerkstoffes 3

4 Mischkristalle a) Substitutionsmischkristalle: Austausch von Atomen Gitterplätze b) Einlagerungsmischkristalle: interstitielle Atome Gitterlücken; C, N, B an Löslichkeitsbedingungen geknüpft: Hume-Rothery-Regeln 4

5 Bedingungen für Substitution Chemische und geometrische Verträglichkeitsbedingungen Hume-Rothery-Regeln: 1.) Unterschied im Atomdurchmesser <8 % vollständig löslich <15 % gute, begrenzte Löslichkeit 2.) Gittertyp gleich vollständige Löslichkeit ähnlich begrenzte Löslichkeit (z.b. kfz-hdp) 3.) Elektronegativität und geringe Abweichungen 4.) chemische Wertigkeit: vollständige Löslichkeit sonst: metallischer Bindungscharakter nimmt ab zugunsten ionischer Bindung 5

6 Voraussetzung für Legierungsbildung: Löslichkeit 1.) Unlöslichkeit System Zn - Pb Zn Pb Ordnungszahl Atomdurchmesser (10-10 m) 2,7 3,6 Unterschied 25% 40 % Zn und 60 % Pb 6

7 Phasendiagramme System: Gesamtheit aller eine Legierung aufbauenden Komponenten in ihrer Wechselwirkung untereinander Phase: - Gebiet gleicher Struktur, - in sich homogen, - Gebiet gleicher chemischer und physikalischer Eigenschaften, - durch Phasengrenzen getrennt Gefüge: makroskopisches oder mikroskopisches Erscheinungsbild eines Werkstoffes a) einphasig: homogen, Körner getrennt durch Korngrenzen b) mehrphasig: heterogen, Körner getrennt durch Phasen- und Korngrenzen Phasendiagramme stellen dar, bei welchen Temperaturen und Zusammensetzungen die Phasen im thermodynamischen Gleichgewicht auftreten. Minimierung der freien Enthalpie 7

8 Voraussetzung für Legierungsbildung: Löslichkeit Legierung Lösung im flüssigen und festen Zustand, variable Zusammensetzung innerhalb eines Konzentrationsbereiches z.b: α, γ, δ Mischkristall Lösung im flüssigen Zustand keine oder begrenzte Löslichkeit im festen Zustand z.b. Ledeburit Kristallgemisch = γ+fe 3 C ; Perlit + Fe 3 C Perlit = α+fe 3 C 8

9 Voraussetzung für Legierungsbildung: Löslichkeit Legierung chemische Verbindung intermetallische Phase - stöchometrischen Zahlenverhältnis z.b. TiNi 3, Fe 3 C, Ni 3 Al, - eigener Gittertyp - hohe T s, hart, spröde 9

10 Phasengesetz Reine Metall Eisen 10

11 Phasendiagramme Gibbs sche Phasenregel: maximale Anzahl der Phasen eines Systems + Freiheitsgrade im Gleichgewicht mit Anzahl der Komponenten +2 P + F = K + 2 Freiheitsgrad: Änderung der Temperatur, des Drucks oder der Konzentrationen Für konst. Druck: F + P = K +1 11

12 Phasengesetz Reine Metall Eisen: K=1 F + P = K +1 Bei Phasenübergang P=2 kein Freiheitsgrad F=0 Haltepunkt 12

13 Binäre Systeme Komponenten: K = 2 F + P = K +1 1 Phase: 2 Freiheitsgrade (T, Zusammensetzung) Phasenfeld 2 Phasen: 1 Freiheitsgrad (Knickpunkt) Erstarrungsintervall 3 Phasen: 0 Freiheitsgrade (Haltepunkt) Eutektischer, peritektischer Punkt Experimentelle Bestimmung: - Dilatometer: Längenänderung der Probe bei Phasenänderung im festen Zustand - thermische Analyse: Messung der frei werdenden oder aufgenommenen Wärmemenge - Messung der magnetischen oder elektrischen Eigenschaften 13

14 Entwicklung von Zustandsdiagrammen Beispiel vollständige Löslichkeit der Komponenten Ni-Cu 14

15 Binäre Systeme - Eutektikum Löslichkeit im flüssigen Zustand Unlöslichkeit im festen Zustand Bsp: Sb - Pb Eutektische Gleichung: L Α+Β 15

16 Binäre Systeme Binäres System mit eutektischer Erstarrung 16

17 Eutektisches System mit Mischungslücke Löslichkeit im flüssigen Zustand Teilweise Löslichkeit im festen Zustand Eutektische Gleichung: L α+β 17

18 Beispiel: System Ag-Cu Zeichnen Sie die Abkühlkurven für die Legierungen mit 5, 20 und 28,1 ma.-% Cu! T t 18

19 Binäre System Ag-Cu Zeichnen Sie die Abkühlkurven für die Legierungen mit 5, 20 und 28,1 ma.-% Cu! L1 T L1 L2 L3 t 19

20 Binäre Systeme mit Peritektikum Peritektisches System mit Mischungslücke: Löslichkeit im flüssigen Zustand, teilweise Löslichkeit im festen Zustand, weit auseinander liegende Schmelz- und Erstarrungstemperaturen Peritektische Gleichung: L+αβ 20

21 Binäre Systeme Phasendiagramme: - Phasenart - chemische Zusammensetzung der Phasen - Mengenanteile der Phasen Grundsätzlich: - an ein Einphasenfeld grenzt nie ein zweites Einphasenfeld es liegt immer ein Zweiphasenfeld dazwischen - bei Temperatur oberhalb Ts einer Komponente existiert eine flüssige Phase L - Die Begrenzungslinien der Einphasenfelder geben die maximale Konzentration der gelösten Komponente an. F + P = K +1 21

22 Bestimmung der Phasenanteile T Legierung m s m Mk + m s a b m Mk Für T= konst. Konode A * b + = 1 = 1 - * b * b = (a+b) B = = = Gesetz der reziproken Hebelarme 22

23 Binäre Systeme Berechnen Sie für 200 C und 183 C die Gehalte an α-mk, Schmelze, Eutektikum und β-mk! 200 C T E =183 C 100 C a b 200 C; 30% Sn: 67% α-mk 33% Schmelze 183 C; 30% Sn: 74% α-mk + 26% Eutektikum bzw. Schmelze; Oder : 86% α-phase + 14% β-phase 74% α-mk + Eutektikum mit (12%α-Mk+14% β-phase) 23

24 Eisen Kohlenstoff - Diagramm 24

25 Eisen Kohlenstoff - Diagramm Zeichnen Sie die Liquiduslinie und die Soliduslinie ein! Beschriften Sie die Phasenfelder im Diagramm! An welchen Punkten ergeben sich isotherme Phasenumwandlungen, wie werden die jeweiligen Umwandlungen genannt? Notieren Sie die Reaktionsgleichungen! 25

26 Fe-C-Diagramm Peritektikum: L+δ γ Eutektikum: Lγ+Fe 3 C Eutektoide Reaktion: γ α+fe 3 C (Perlit) Ledeburit I = Austenit (γ)+ Zementit Ledeburit II = Perlit + Zementit 0,02 % 0,2 % 6,67 % 26

27 6,67 % Fe-C-Diagramm tertiärer Zementit sekundärer Zementit Primärer Zementit 27 0,02 %

28 Fe-C-Diagramm Bsp. 0,03% C Ferrit Tertiärzementit in 0,03% C Ferrit + Perlit Perlit Bsp. 0,8% C Bsp. 0,62 % C 28

29 Fe-C-Diagramm Ledeburit Austenit Bsp. 4,3% C Bsp. 2,35% C 29

30 Fe-C-Diagramm Frage: Wieviel Ferrit und Zementit sind im Perlit enthalten? 30

4. Legierungsbildung

4. Legierungsbildung Letzte VL: - Phasenumwandlungen im festen Zustand - Erstellung von Zustandsdiagrammen - Zweistoffsysteme - Kristallseigerungen - Hebelgesetz Heutige VL: - Eutektische Entmischung, eutektoider Zerfall,

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