Übung Grundlagen der Werkstoffe. Thema: Das Eisen-Kohlenstoffdiagramm

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1 Übung Grundlagen der Werkstoffe Thema: Das Eisen-Kohlenstoffdiagramm

2 Einstiegsgehälter als Motivation für das Studium

3 Übungsaufgaben 7. Skizzieren Sie eine Volumen/Temperatur-Kurve von Eisen. Begründen Sie deren Verlauf. Welche Auswirkungen hat das allotrope Verhalten von Eisen auf die C-Löslichkeit? 8. Was versteht man bei Fe-C-Legierungen unter stabiler und unter metastabiler Phasenausbildung? Welche Faktoren bestimmen die jeweilige Phasenausbildung? 9. Skizzieren Sie ein metastabiles Fe-C-Diagramm und stellen Sie mit Hilfe schematischer Darstellungen die Entstehung der Gefüge von Legierungen mit 0,4 und 1,2 % C dar. Wählen Sie hierzu Temperaturstufen im Austenitgebiet sowie direkt oberhalb und unterhalb der eutektoiden Temperatur. (Schätzen Sie für jedes Gefüge die Mengen der jeweils vorhandenen Phasen und deren Zusammensetzung ab.) 10. Geben Sie an, was man unter Austenit, Ferrit, Zementit, Perlit, Martensit und Restaustenit versteht.

4 Das Eisen-Kohlenstoffdiagramm Das Eisen-Kohlenstoffdiagramm (EKD) ist ein binäres Zustandsschaubild und stellt die Phasen in Abhängigkeit vom C- Gehalt und der Temperatur dar. Das EKD kann in zwei Formen vorliegen: - das metastabile System (Fe-Fe 3 C) in dem der Kohlenstoff in gebundener Form vorkommt und - dem stabilen System, in dem der Kohlenstoff elementar in Form von Graphit vorliegt üblich ist die Verwendung des metastabilen EKD, da das stabile System nur für extrem langsame Abkühlungen zutrifft und dafür in der Industrie keine Zeit ist Es setzt sich aus einem peritektischen und zwei eutektischen Teilschaubildern zusammen.

5 Das eutektische Zustandsdiagramm Binäres eutektisches Teilschaubild mit begrenzter Löslichkeit im festen Zustand: S α-mk α+s β+s β-mk α+β α+β 10% Alpha und beta sind Mischkristalle, d.h. in deren Elementarzellen sind die Gitteratome durch andere Atome ausgetauscht (Substitutionsatome ) oder als Zwischengitteratom zusätzlich eingeschoben.

6 Das Eisen-Kohlenstoffdiagramm 0,8 2,06 4,3 6,67 untereutektoid übereutektoid untereutektisch übereutektisch

7 Das eutektoide Fe-C-Diagramm Stahlecke: Austenit (γ-fe) Ferrit (α-fe) Austenit + Ferrit Austenit + Korngrenzenzementit Eutektoider Punkt Ferrit + Perlit Perlit + Korngrenzenzementit untereutektoid 0,83% C übereutektoid Z Zementit = Fe 3 C F F P P P Perlit = Ferrit + Zementit

8 Gefügebilder im Fe-C-Diagramm

9 Gefügebilder im Fe-C-Diagramm Bsp.: C15 (Bezeichnung für einen Stahl mit 0,15% Kohlenstoff) Härte HB=143, Zugfestigkeit = 800N/mm² Anwendung: Bau- und Maschinenteile, Hebel, Gelenke, Bolzen, Zahnräder

10 Gefügebilder im Fe-C-Diagramm Bsp.: C45 (Stahl mit 0,45% Kohlenstoff) Härte HB=203, Zugfestigkeit = 780N/mm² Anwendung: Bauteile mittlerer Beanspruchung im Motoren- und Apparatebau

11 Gefügebilder im Fe-C-Diagramm Bsp.: Ck 85 (Stahl mit 0,85% Kohlenstoff) Härte HB=215, Zugfestigkeit = 1700N/mm 2 Anwendung: kaltgewalzte Stahlbänder, Federn hoher Maßgenauigkeit

12 Gefügebilder im Fe-C-Diagramm Bsp.: C 135W (Stahl mit 1,5 % Kohlenstoff) Härte HB=230 Anwendung: Feilen, Zieh- und Bearbeitungswerkzeuge

13 Gefügebilder im Fe-C-Diagramm

14 wichtige Phasen des Stahles Austenit (γ-fe): kfz-gitter mit freien Plätzen für ein C-Atom in der Würfelmitte kann bei 1147 C bis zu 2,06% C lösen Austenitischer Stahl bleibt auch bei RT stabil, wenn genügend Legierungselemente (Cr, Ni, Mn) enthalten sind Eigenschaften: sehr zäh, gut verformbar, hoch warmfest Turbinen unmagnetisch, korrosionsbeständig Ferrit (α-fe): krz-gitter mit so gut wie keinem Platz für C-Atome kann max. 0,02 Ma.-% C enthalten Eigenschaften: weich, zäh, sehr gut verformbar, geringe Festigkeit, magnetisch, korrosionsunbeständig

15 wichtige Phasen des Stahles Zementit (Fe 3 C): wird auch Eisenkarbid genannt und enthält 6,67 Ma.-% C sehr komplizierte Gitterstruktur keine Gleitebenen Eigenschaften: hart, spröde, nicht verformbar Perlit Feinkörniges Gemisch aus Ferrit und Zementit, das in lamellarer Form vorkommt Perlit enthält 0,83% C entspricht 12% Zementit hohe Festigkeit großer Lamellenabstand bei langsamer Abkühlung

16 Martensit: wichtige Phasen des Stahles krz-gitter mit zwangsgelöstem Kohlenstoff (ab C-Konz. von 0,2%) der Kohlenstoff verzerrt das krz-gitter, wodurch die Gleitung von den Gitterebenen stark behindert wird daraus folgt: sehr hohe Härte und Sprödigkeit Restaustenit: teils unerwünschte Phase im Stahl oder Gusseisen relativ instabil und wandelt sich durch Temperaturänderung oder durch mechanische Beanspruchung in Martensit um (Gefängnisstahl) Bei der Umwandlung erfolgt eine Umklappung, vom Austenit (kfz) in ein tetragonal raumzentriertes Raumgitter (Martensit). dabei ändern sich die Packungsdichten, was zu mechanischen Spannungen in einem Werkstück führen kann. So kann Restaustenitumwandlung in Martensit (Volumenzunahme) infolge zu schnellen Abschreckens zu Mikrorissen innerhalb der schon vorhandenen Martensitplatten führen durch Härtemessungen und Gefügeuntersuchungen kann man den Restaustenitanteil bestimmen

17 Gefüge einer untereutektoiden Fe-Fe 3 C-Legierung

18 Gefüge einer übereutektoiden Fe-Fe 3 C-Legierung

19 Gefüge einer untereutektischen Fe-Fe 3 C-Legierung

20 Tetragonal raumzentrierte Elementarzelle in einer kfz-struktur Umwandlungen im festen Zustand: Eisen ist polymorph, d.h. es hat die Eigenschaft, sich in unterschiedl. Gittertypen in Abhängigkeit der Temp. zu verwandeln

21 Mögliche Gitterplätze für C-Atome im Martensit

22 Einfluss von Legierungselementen auf die Martensitumwandlung

23 Martensithärte reiner Fe-C-Legierungen (nach Burns)

24 ZTU-Schaubild für kontinuierliche Abkühlung von C45

25 Einfluss von Legierungselementen auf die Umwandlung

26 Einfluss von Legierungselementen auf die Eigenschaften