VL 3: EKD (Eisen-Kohlenstoff- Diagramm)

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1 1 VL 3: (Eisen-Kohlenstoff- Diagramm) 1. Grundlagen (Polymorphie des Fe) 2. Aufbau (Stahlseite, Gusseisenseite, stabiles System, metastabiles System) 3. Gefüge- und Phasendiagramm verschiedene Darstellungen 4. Perlitentstehung, Ledeburit 5. Umwandlungen bei der Abkühlung aus dem Austenit

2 1. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Grundlagen 2 Allotropie des Eisens (auch Polymorphie) A = Arret r = refroidissement c = chauffage e = equilibre A = Haltepunkte r = Abkühlung c = Erwärmung e = Gleichgewicht

3 1. Verhalten der Metalle bei Erwärmung Allotropie 3 Allotropie = Änderung der gegenseitigen Atomanordnung im festen Zustand. Im Gleichgewichtsfall findet die Umwandlung diffusionsgesteuert statt. Die Umwandlung (Umkristallisation) ist reversibel = umkehrbar. In einigen Fällen tritt jedoch eine T-Differenz zwischen Hin- und Rückumwandlungs-T auf (therm. Hysterese).

4 2. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Aufbau 4 Das ist ein Zweistoffdiagramm Fe C für den Gleichgewichtsfall (sehr langsame Abkühlung). Es umfasst die unlegierten Stähle (Stahlecke, bis ca. 2,06% C) und die Gusseisenseite (2,06 bis 6,67%C). Es kann als Gefüge- oder Phasendiagramm als metastabiles (Fe 3 C) oder stabiles System (C) dargestellt sein. Der C-Gehalt kann in At% oder meist in Gew% aufgetragen sein. Das setzt sich aus einem Peritektikum, einem Eutektikum und einem eutektoiden System (Stahlecke) zusammen.

5 3. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () 5 Metastabiles, Stabiles (---), C-Gehalt in Gew.%, Gefügediagramm

6 3. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () 6 Metastablies, C-Gehalt in Gew.%, Gefügediagramm Vereinfacht: ohne Peritektikum!

7 3. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () 7 Metastabiles, Stabiles (---), C-Gehalt in At% und Gew.%, Phasendiagramm

8 3. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Veränderung des Umwandlungsverhaltens des Fe durch C-Zulegierung 8 1. Verringerung der T s 2. Erhöhung der A 4 -Temperatur 3. Verringerung der A 3 -Temperatur (Stabilisierung des Austenits, auch durch Mn, Ni) 4. Bildung neuer Phasen und Gefügebestandteile (Perlit, Zementit, Ledeburit) 5. Basis für Verständnis der technischen WB insbesondere der Stahlhärtung

9 3. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Stahl - Gusseisen 9 Technische Fe-C-Legierungen bis ca. 5 % C reiner C: hex. Schichtgitter Fe 3 C: - orthorombische EZ - zersetzt sich mit T - HV 800

10 Bezeichnung 3. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Stahl - Gusseisen Kohlenstoffgehalt % 10 untereutektoide Stähle 0 0,80 eutektoider Stahl 0,80 übereutektoide Stähle 0,80-2,06 untereutektisches Gusseisen 2,06 4,3 eutektisches Gusseisen 4,3 übereutektisches Gusseisen 4,3 6,67

11 3. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Homogene Mischkristalle Fe+C 11 Phase Maximaler Gehalt an C Gefüge - MK 1493 C: 0,10% - Ferrit - Mischkristall 1147 C: 2,06% Austenit - Mischkristall 723 C: 0,02% Ferrit

12 3. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Ferrit - Gefüge 12 Homogener Ferrit Härte HV

13 3. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Austenit - Gefüge 13 Homogener, verzwillingter Austenit HV =

14 3. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Zementit Fe 3 C - Eisenkarbid 14 Bezeichnung Entsteht durch Primärzementit Sekundärzementit Tertiärzementit Primäre Kristallisation aus der Schmelze (Line CD) Segregation aus dem Austenit (Linie ES) Segregation aus dem Ferrit (Linie PQ)

15 3. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Ferritbildung (Austenitzerfall) 15 Aufnahmefähigkeit des Ferrits für C beträgt nur 1/100 der des Austenits für C

16 4. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Heterogene Gefügebestandteile im 16 Zusammengesetzt aus Bezeichnung Beständigkeitsgebiet Perlit 88% Ferrit 12% Zementit T 723 C ; 0,02 bis 6,67%C Ledeburit I 51,4% Austenit 48,6% Zementit T 1147 bis 723 C ; 2,06 bis6,67%c Ledeburit II 51,4% Perlit 48,6% Zementit T 723 C; 2,06 bis 6,67%C

17 4. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Perlitbildung (Austenitzerfall) 17 Perlit ist das Reaktionsprodukt des eutektoiden Zerfalls des Austenit: -MK -MK + Fe 3 C (88%Ferrit,12%Z) Perlit ist der Härteträger der Allgemeinen Baustähle! Perlit enthält im Gleichgewichtsfall immer 0,8 % C und entsteht bei der Abkühlung auf 723 C durch Diffusion. Perlit besteht aus 2 Phasen, die eutektisch miteinander verwachsen sind und damit als ein Gefügebestandteil auftreten.

18 4. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Perlitbildung (Austenitzerfall) 18 Der Austenitzerfall beginnt mit einer Zementitkeimbildung. Dadurch verarmt der umgebende Bereich an C und es kann dort die Umkristallisation Austenit in Ferrit stattfinden. Dadurch sind wiederum die neuen Randbereiche an C angereichert und wandeln in Zementit um...

19 4. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Perlit heterogener Gefügebestandteil aus Ferrit und Zementit 19

20 4. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Ledeburitbildung I (aus der Schmelze) 20 Ledeburit I ist das Reaktionsprodukt der eutektischen Umwandlung einer Fe-Schmelze mit 4,3 % C: Fe-Schmelze -MK + Fe 3 C Ledeburit ist der Härteträger des Gusseisens! Ledeburit enthält im Gleichgewichtsfall immer 4,3 % C und entsteht bei der Abkühlung auf 1147 C. Ledeburit besteht aus 2 Phasen, die eutektisch miteinander verwachsen sind und damit als ein Gefügebestandteil auftreten.

21 4. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Ledeburitbildung II (aus dem Austenit) 21 Ledeburit II entsteht infolge der abnehmenden Löslichkeit des Bestandteiles Austenit für das Element C im festen Zustand bei der Abkühlung aus L I : L I ( -MK + Fe 3 C) L II(Perlit + Fe 3 C) = L II ( -MK + Fe 3 C)

22 5. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Stahlecke 22 Erläuterung der Abkühlung versch. Stähle (Tafelarbeit)

23 5. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Stahlecke 23 Gefüge eines Stahls mit 0,2 % C hell: Ferrit, dunkel: Perlit)

24 5. Eisen-Kohlenstoff-Diagramm () Stahlecke 24 Tafelarbeit: Hebelgesetz: a) zur Bestimmung des Ferritanteils im P bei RT b) wieviel % F, P enthält ein Stahl mit 0,3 % C? c) wieviel % SZ und P enthält ein Stahl mit 1,2 % C? Abkühlkurven dieser Stähle zeichnen!

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