KIESELSTEINGroup. Modifikationen des Eisens - Temperaturbereiche. E. Kieselstein Werkstofftechnik Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Transkript

1 Modifikationen des Eisens - Temperaturbereiche 1

2 Zweistoffsystem aus den Elementen Eisen und Kohlenstoff (elementar oder als Verbindung Fe3C ). verschiedene Phasen Austenit, Ferrit, Perlit, Ledeburit, Zementit an, die in bestimmten Temperaturbereichen - je nach Massengehalt der beiden Legierungspartner existieren. 2

3 Gefüge : 1) Schmelze 2) Schmelze + Delta-Mischkristalle 3) Schmelze + Gamma-Mischkristalle 4) Schmelze + Fe 3 C 5) Delta-Mischkristalle 6) Delta-Mischkristalle + Gamma-Mischkristalle 7) Gamma-Mischkristalle 8) Gamma-Mischkristalle + Alpha-Mischkristalle 9) Gamma-Mischkristalle + Fe 3 C 10) Alpha-Mischkristalle 11) Alpha-Mischkristalle + Fe 3 C 3

4 Umwandlungslinien 1. Peritektikale Temperatur 1493 C Linie H-B (C-Gehalt 0,10-0,51 %) peritektischer Punkt - I (C-Gehalt 0,16 %) 2. Eutektikale Temperatur 1147 C Linie E-F (C-Gehalt 2,06-6,67 %) eutektischer Punkt - C (C-Gehalt 4,30 %) 3. Eutektoidale Temperatur 723 C Linie P-K (C-Gehalt 0,02-6,67 %) eutektoider Punkt - S (C-Gehalt 0,80 %) Die bei diesen Temperaturen ablaufenden Umwandlungsvorgänge / Reaktionen werden als peritektische, eutektische und eutektoide Umwandlung bezeichnet. Umwandlungspunkte / Umwandlungstemperaturen Ac 1 : 723 C Ac 2 : 769 C Ac 3 : ca. 785 C Ac 4 : ca C Ac 5 : ca C Ac 6 : ca C 4

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6 Mischkristallen (MK) und Phasen im EKD Homogene Phasen Delta-MK kubisch raumzentriertes Gitter max. C-Gehalt 0,10 % bei 1493 C Gamma-MK kubisch flächenzentriertes Gitter max. C-Gehalt 2,06 % bei 1147 C Alpha-MK kubisch raumzentriertes Gitter max. C-Gehalt 0,02 % bei 723 C Heterogene Phasen Perlit 88 % Ferrit + 12 % Zementit Ledeburit I (kurz unter 1147 C) 51,4 % Austenit + 48,6 % eutektischer Zementit Ledeburit II (kurz unter 723 C) 51,4 % Perlit mit Sekundärzementit + 48,6 % eutektischer Zementit Zementit Primär-, Sekundär-, Tertiärzementit 6

7 KIESELSTEIN Group Lichtmikroskop E. Kieselstein Rasterelektronenmikroskop Werkstofftechnik 7

8 Untereudektoid (C<0,8%) Ferrit Perlit Lamellenstruktur 8

9 Ferrit - krz α-mischkristall maximale Kohlenstofflöslichkeit 0,02 % läßt sich legieren (legierter Stahl) bis 769 C ferromagnetisch geringe Festigkeit, aber hohe Duktilität Austenit (Gamma-Mischkristall) kubisch-flächenzentrierten (kfz) Mischkristalle unter Normalbedingungen nur oberhalb 911 C beständig; durch Legierungszusätze (Ni, Mn) und Abschrecken auch bei Raumtemperatur beständig. unmagnetisch, zäh und durch Kaltverfestigung härtbar hohe Warmfestigkeit, gute Korrosions- und Zunderbeständigkeit Perlit Gefüge, in dem α-mischkristall- und Fe 3 C-Lamellen abwechselnd nebeneinander liegen. Durch zunehmenden Perlitanteil erhöhen sich Streckgrenze und Festigkeit bei Verringerung der Zähigkeit. Ledeburit (nach Karl Heinrich Adolf Ledebur ( )) Eutektikum bei Kohlenstoffgehalten zwischen 2,06 % und 6,67 % Kohlenstoffanteil 4,3% Phasengemisch bestehend zunächst aus γ-mischkristall (Austenit) und Zementit (Ledeburit I) nach Erreichen von PSK (723 C) - Ledeburit II aus Zementit mit ankristallisiertem Sekundärzementit (aus dem Austenit bei sinkender Temperatur ausgeschieden) und (bei langsamer Abkühlung) aus Perlit 9

10 Mischkristallen (MK) und Phasen im EKD Zementit Intermetallische Verbindung Fe 3 C (6,67% C), rhomboedrisches Gitter, wenig verformungsfähig Je nach seinem Anteil am Werkstoffgefüge erhöht er dessen Festigkeit und Sprödigkeit über die Grenze der Bearbeitbarkeit hinaus. Formen des Zementit Primärzementit Kristallisation aus der Schmelze entlang der Linie C-D Sekundärzementit Ausscheidung aus dem Gamma-MK (Austenit) entlang der Linie E-S Tertiärzementit Ausscheidung aus dem Alpha-MK (Ferrit) entlang der Linie P-Q Eutektischer Zementit Ausscheidung bei der Erstarrung der Restschmelze zu Ledeburit Eutektoider Zementit Ausscheidung bei der Umwandlung von Gamma-MK zu Perlit 10

11 Eutektische Umwandlung : Im Umwandlungsbereich der Eutektikalen laufen folgende Vorgänge ab. Bei Schmelzen mit > 4,3 % Kohlenstoff scheiden sich primär Zementitkristalle (Primärzementit mit 6,67 % C) aus und magern so die restliche Schmelze an Kohlenstoff ab. Diese Legierungen werden als übereutektisch bezeichnet. Liegt der Kohlenstoffgehalt unter 4,3 % scheiden sich zuerst kohlenstoffhaltige Eisenmischkristalle (Gamma-Eisen mit 2,06 % C) aus und reichern so die restliche Schmelze mit Kohlenstoff an. Eine Legierung mit dieser Zusammensetzung nennt man untereutektisch. Mit weiterer Abkühlung scheiden sich immer mehr Kristalle der einen oder anderen Sorte aus, bis bei Erreichen der Temperatur von 1147 C di e jetzt noch vorhandene Restschmelze einen Kohlenstoffgehalt von 4,3 % aufweist. Entlang der Linie E-F erstarrt die Restschmelze in einer sogenannten eutektischen Reaktion zu einem Eutektikum aus gesättigten Gamma-Mischkristallen (2,06 % C) und Zementit - Fe3C (6,67 % C). Die Gefügebezeichnung hierfür lautet Ledeburit (Eutektikum - Gefügebestandteil mit 4,3 % C). Gefüge einer untereutektischen Eisen-Kohlenstoff Legierung bestehen aus zerfallenen Gamma-Mischkristallen und Ledeburit. Eutektische Verbindungen bestehen zu 100 % aus Ledeburit und übereutektische Legierungen sind ein Gemisch aus Ledeburit und Primärzementit. Während der weiteren Abkühlung in Richtung 723 C scheidet sich aus den freien Gamma-M ischkristallen und den Gamma-Mischkristallen des Ledeburit immer mehr Sekundärzementit aus. Dabei wird der Gamma-Mischkristall in Abhängigkeit der Linie S-E auf 0,8 % C abgemagert. Bei Unterschreiten der Temperatur von 723 wandeln die noch vorhandenen Gamma-Mischkristalle (Austenit) des Ledeburit in einer eutektoiden Reaktion zu Perlit um (hierzu siehe weiter unten). Sind in der Ursprungsschmelze Kohlenstoffgehalte von weniger als 2,06 % und mehr als 0,51 % vorhanden so scheiden sich aus der Schmelze zuerst Gamma-Mischkristalle aus. Bei Erreichen der Linie I-E ist die Erstarrung abgeschlossen und es liegt nur noch Gamma- Mischkristall (Austenit) vor. Die weitere Umwandlung bei sinkender Temperatur ist weiter unter beschrieben. 11

12 Peritektische Umwandlung : Ist der Kohlenstoffgehalt < 0,51 % so findet eine Ausscheidung von Delta-Mischkristallen statt. Gamma-Mischkristalle entstehen bei Kohlenstoffgehalten > 0,51 % direkt aus der Schmelze. Bei Kohlenstoffgehalten < 0,51 % durch eine sogenannte peritektische Umwandlung von Delta- Mischkristallen (0,10 % C) und Restschmelze (0,51 % C) zu Gamma-Mischkristallen (0,16 % C). Bei Kohlenstoffgehalten von 0,16-0,51 % findet bei 1493 C in einer Reaktio n von Delta-MK und Schmelze eine Umwandlung zu Gamma-MK und Schmelze statt. Bei C-Gehalten von 0,10-0,16 % erstarrt das Gefüge von Delta-MK und Schmelze zu Delta-MK und Gamma- MK. C-Gehalte von 0,16 % bewirken eine direkte Umsetzung von Delta-MK und Schmelze zu Gamma-MK. Bei der weiteren Abkühlung werden hierbei immer mehr Delta-Mischkristalle zu Gamma-Mischkristallen umgewandelt bis die Linie N-I erreicht ist. Unterhalb der Linie N-I und I-E liegen nur noch Gamma- Mischkristalle vor. In einem kleinen Existenzbereich und bei Kohlenstoffgehalten von max. 0,10 % (Gebiet A-H-N-A) besteht das Gefüge nur aus Delta-Mischkristallen. Legierungen mit sehr geringen Kohlenstoffgehalten von max. 0,02 % bei 723 C bzw. <0,001 % bei RT (Gebiet G-P-Q -G) bestehen nur aus Alpha-Mischkristallen (Ferrit) bzw. aus Ferrit und Tertiärzementit der sich überwiegend an den Korngrenzen ausscheidet 12

13 Eutektoidische Umwandlung : Bei der eutektoiden Umwandlung kommt es zu folgenden Gefügeumwandlungen. Bei weiterer Abkühlung der Legierung findet, bei einem Kohlenstoffanteil von > 0,8 und < 2,06 %, bei Unterschreiten der Linie S-E eine voreutektoide Ausscheidung von Fe3C (Sekundärzementit) statt. Der Kohlenstoffgehalt in den verbleibenden Gamma-Mischkristallen nimmt dadurch stetig ab. Ist der Kohlenstoffanteil < 0,8 %, so scheiden sich mit sinkender Temperatur bei Unterschreiten der Linie G-S kohlenstoffarme Alpha- Mischkristalle aus und die verbleibenden Gamma-Mischkristalle reichern sich mit Kohlenstoff an. Bei Erreichen einer Temperatur von 723 C zerfallen die restlich verbliebenen Gamma-Mischkristalle, die zu diesem Zeitpunkt einen C- Gehalt von 0,8 % aufweisen, zu einem Eutektoid (genannt Perlit - Gemisch aus Alpha-Mischkristallen mit 0,02 % C und eutektoider Zementit mit 6,67 % C). Bei dieser Umwandlungsart bildet sich zuerst an einer Korngrenze des Gamma- Mischkristalls ein kleiner Kristall aus Zementit, der den Kohlenstoff in seinem direkten Umfeld zu seiner Bildung entzieht. Der im angrenzenden Bereich dieser Zementitplatte an Kohlenstoff verarmte Austenit bildet nun Ferritplatten aus und reichert durch ausdiffundierenden Kohlenstoff den restlichen Mischkristall wieder mit Kohlenstoff bis auf 0,8 % an. Dieses Wechselspiel dauert an bis der gesamte Gamma-Mischkristall zu diesem lamellar aufgebauten Gefügebestandteil Perlit umgewandelt ist. Die gesättigten Gamma-Mischkristalle des Eutektikums zerfallen bei dieser Temperatur ebenfalls zu Perlit. Eine Legierung mit 0,8 % Kohlenstoff bezeichnet man als Eutektoid. Bei diesem Kohlenstoffgehalt findet keine voreutektoide Ausscheidung von Ferrit oder Zementit statt. Die Umwandlung erfolgt direkt, bei Erreichen von 723 C, zu Perlit. Nach Überschrei ten der Linie P-S-K, wird bei weiterer Abkühlung auf Raumtemperatur, entsprechend der Linie P-Q, aus dem Ferrit und den Ferritlamellen des Perlit noch etwas Kohlenstoff ausdiffundiert (Löslichkeitsgrenze von C bei RT ca. < 0,001 %). Diese Ausscheidungen von Tertiärzementit kristallisieren an den Zementit oder die Zementitlamellen des Perlit an und sind im Gefüge nicht oder nur sehr schwer als eigenständiger Phasenanteil zu erkennen. Bei Raumtemperatur besteht das Gefüge einer untereutektoiden Legierung aus Ferrit und Perlit. Eutektoide Legierungen bestehen zu 100 % aus Perlit und bei Kohlenstoffgehalten von 0,8-2,06 % liegt ein übereutektoides Gefüge aus Perlit und Sekundärzementit vor. Sekundärzementit ist meistens auf den Korngrenzen zu finden und wird deshalb auch als Korngrenzenzementit bezeichnet. 13