Experimentelle Werkstoffkunde Versuch 3.5 113 Versuch 3.5 Härtbarkeit von Stahl in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt Dieses Experiment zeigt, dass bei einer in sehr kurzer Zeit erzwungenen Gitterumwandlung die Diffusion des Kohlenstoffs verhindert werden kann. Der Kohlenstoff wird somit zwangsweise an bestimmten Gitterplätzen festgehalten und verursacht damit einen Spannungszustand im gesamten Gefüge. Dieser Spannungszustand äußert sich einerseits in Form einer erheblichen Härtezunahme, ist andererseits aber entscheidend von der Menge des Kohlenstoffs abhängig. Zwei Stahlsorten (C 15 und C 45) werden in Form von Stäben unter gleichen Bedingungen erwärmt und einseitig in Wasser abgeschreckt, während die übrigen Teile der Stähle langsam an Luft abkühlen. Dieser Versuch, stellt eine stark vereinfachte Form des Stirnabschreck-Versuches nach JOMINY (DIN 50103) dar. Durch den unterschiedlichen Kohlenstoffgehalt und die veränderlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten sind damit auch die Diffusionsbedingungen für den Kohlenstoff innerhalb der Stahlproben unterschiedlich. Mit Härteprüfungen und Bruchflächenbeurteilungen an den Stäben werden Erkenntnisse über die Wirkungen des Kohlenstoffs in bezug auf die Härtbarkeit gewonnen (Bild 3.5-2). Außerdem kann festgestellt werden, dass für eine Härtung eine bestimmte Abkühlungsgeschwindigkeit erforderlich ist. Geräte: Ofen (bis 1000 0 C) Stahl C 15 Stangenmaterial Ø 10 mm 150 mm lang Stahl C 45 Stangenmaterial Ø 10 mm 150 mm lang Bügelsäge Stahlrohr Innen- Ø 15 mm, 300 mm lang Härteprüfgerät Versuchsdurchführung: An einer Seite der Stahlprobe werden auf 100 mm Länge verteilt alle 10 mm mit einer Säge etwa 1 mm tiefe Kerben angebracht (Bild 3.5-1). Die Kerben dienen später als Sollbruchstellen. Zur Wärmebehandlung werden die Proben 15 Minuten lang bei 850 0 C geglüht. In Anlehnung an den Stirnabschreckversuch wird jede Probe an einem Ende 20 mm tief (bis zur zweiten Kerbe) in Wasser eingetaucht und abgekühlt. Bei diesem Abkühlverfahren sind die ersten 20 mm der Stahlprobe bereits nach wenigen Sekunden abgeschreckt, während der restliche Teil an der Luft langsam abkühlt. Durch den starken Wärmentzug des eingetauchten Endes entstehen in der ganzen Länge des Stabes unterschiedliche Abkühlungsgeschwindigkeiten. Wenn nach einigen Minuten keine Glühfarben mehr zu erkennen sind, kann die ganze Stahlprobe im Wasser abgekühlt werden. Auf der ganzen Länge der Stahlprobe wird danach die Härte geprüft. Die Härtewerte sind mit dem Abstand zum abgeschreckten Ende der Stahlprobe in Beziehung zu setzen. Nach der Härteprüfung folgt eine Biege-Bruchprüfung. Dazu werden die ersten 10 mm der Probe in den Schraubstock eingespannt. Mit Hilfe eines über das herausragende Ende der Stahlprobe gestülpten Rohres wird der Stab Stück für Stück zerbrochen. Die zerbrochenen Teile werden wieder aneinander gelegt, damit eine Beurteilung des Biegeverhaltens vorgenommen werden kann.
Experimentelle Werkstoffkunde Versuch 3.5 114 Versuchsergebnisse: Die Wärmebehandlung der Stähle mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt hat stark voneinander abweichende Wirkungen hervorgerufen. In den Bildern 3.5-3 bis 3.5-5 sind die Ergebnisse bezüglich Härte, Biegewinkel und Aussehen der Bruchflächen dargestellt. Der Werkstoff C 15 zeigt nach der Wärmebehandlung auf der ganzen Länge keinerlei Veränderungen in der Härte. Das Resultat der Biegeprüfung ist e- benfalls durchgehend einheitlich. Alle Bruchflächen zeigen typische Merkmale eines Verformungsbruchs. Es kann festgestellt werden, dass die im Experiment erzielten unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten auf die Eigenschaften des Werkstoffs keinerlei Einfluss haben. Die Härte des Stahls C 45 ist über die Länge der Probe sehr unterschiedlich. Die größten Härtewerte sind am abgeschreckten Ende festzustellen, während zum langsam abgekühlten Ende hin die Härte nach einem anfänglichen Steilabfall kontinuierlich in Normalwerte übergeht (Bild 3.5-2).Die Biegewinkel sind dem Härteverlauf entsprechend am abgeschreckten Ende sehr klein und werden zum anderen Ende hin immer größer. Der Biegewiderstand bis zum Bruch ist am gehärteten Ende sehr niedrig, er nimmt mit den weniger harten Teilen jedoch erheblich zu. Ebenso sind die Merkmale der Bruchflächen entsprechend unterschiedlich: es ist ein Übergang vom feinkörnigen, matt glänzenden Sprödbruch zum grobkörnigen Verformungsbruch zu erkennen (Bild 3.5-5). Die auf diese Weise ermittelten unterschiedlichen Härtegrade und Biegefestigkeiten der beiden Stähle lassen auf den Einfluss des Kohlenstoffgehalts und der Abkühlungsgeschwindigkeit während der Wärmebehandlung schließen. In erster Linie sind hierfür die Diffusionsbedingungen des Kohlenstoffs verantwortlich. Am abgeschreckten Ende der Stahlprobe ist eine Diffusion des Kohlenstoffs aufgrund der schnellen Abkühlung verhindert worden, was zu großer Härte und Sprödigkeit führte. Die unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten innerhalb des restlichen Teils der Stahlprobe ermöglichten dagegen in steigendem Maße eine Diffusion des Kohlenstoffs. Dadurch sind Härte und Sprödigkeit wesentlich geringer ausgefallen.
Experimentelle Werkstoffkunde Versuch 3.5 115 Bild 3.5-1: eingekerbte Härte-Bruch-Probe Versuchswerte für Bild 3.5-2) Abstand in mm C 15 HV 30 C 45 HV 30 2 223 555 5 205 338 15 200 265 25 190 227 35 185 200 55 182 196 75 175 182 95 173 185 Bild 3.5-2: Härteverlauf der abgekühlten Proben
Experimentelle Werkstoffkunde Versuch 3.5 Bild 3.5-3: aneinander gelegte Bruckstücke (C 15) Bild 3.5-4: aneinander gelegte Bruchstücke (C 45) Bild 3.5-5: Bruchflächen von C 15 und C 45 116
Experimentelle Werkstoffkunde Versuch 3.5 117 Werkstoffkunde III (Eigenschaftsänderungen) Voraussetzungen für die Härtbarkeit von Stählen Blatt 18 A Aufgabe: Zwei Stähle mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt (C 15 und C 45) sollen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abgekühlt werden. Die Einflüsse auf Härte und Biegefestigkeit sind zu untersuchen. Ziel: Es wird der Zusammenhang zwischen Härtbarkeit und Kohlenstoffgehalt erkannt. Ferner wird erklärt und begründet, warum für eine Härtung eine bestimmte Abkühlungsgeschwindigkeit erforderlich ist. Durchführung: 1. Härte im unbehandelten Zustand messen. 2. Glühen der Werkstoffproben, 15 Minuten lang bei 850 0 C. 3. Abkühlen: Nur das gekerbte Ende der Stangen 20 mm tief ins Wasser eintauchen. Der herausragende Teil kühlt an der Luft ab. 4. Wenn keine Glühfarben mehr zu sehen sind, ganze Probe im Wasser abkühlen. 5. An den Stäben auf der ganzen Länge die Härte prüfen. 6. Beide Stäbe im Schraubstock an den gekerbten Stellen Stück für Stück zerbrechen. 7. Beurteilung der Bruchflächen. 8. Die zerbrochenen Teile wieder so zusammenlegen, dass die Biegewinkel zu erkennen sind. 9. Härtewerte in die Tabelle eintragen und im Diagramm graphisch darstellen. Abstand zum abgeschreckten Ende in mm 2 5 15 25 35 55 75 95 Vickershärte HV C 15 C 45 Beobachtungen: Schüler-Arbeitsblatt zum Thema Voraussetzungen für die Härtbarkeit von Stählen
118 Experimentelle Werkstoffkunde Versuch 3.5 Werkstoffkunde III (Eigenschaftsänderungen) Voraussetzungen für die Härtbarkeit von Stählen Blatt 18 B Werkstoff C 45 nach dem Biegen Werkstoff C 15 nach dem Biegen Bruchflächen beider Werkstoffe Die ursprüngliche Härte des C 15 hat sich nicht wesentlich verändert. Er ist auf der ganzen Länge gleichmäßig weich geblieben. Dagegen sind am C 45 erhebliche Härteunterschiede festzustellen. Das abgeschreckte Ende ist sehr hart. Zum anderen Ende hin nimmt die Härte kontinuierlich bis auf den ursprünglichen Wert ab. Entsprechend haben sich auch beim Zerbrechen unterschiedliche Biegewinkel ergeben. An den Bruchflächen ist zu sehen, dass die unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten beim C 15 keine und beim C 45 große Gefügeveränderungen bewirkt haben. Erkenntnisse: Erkenntnisblatt zum Thema Voraussetzungen für die Härtbarkeit von Stählen