Werkstoffwissenschaftliches Grundpraktikum Versuch vom 18. Mai 2009 Betreuer: Thomas Wöhrle Gefügeumwandlung in Fe-C-Legierungen Gruppe 3 Protokoll: Simon Kumm, uni@simon-kumm.de Mitarbeiter: Philipp Kaller, Paul Rossi 1. Einleitung, Aufgabenstellung Eine Legierung kann bei gleicher Zusammensetzung in vielen verschiedenen Gefügearten vorliegen. Diese unterschiedlichen Gefüge können zum Beispiel durch unterschiedlich schnelles Abkühlen entstehen. In diesem Versuch werden drei Proben einer Fe-C-Legierung gleicher Zusammensetzung unterschiedlich schnell abgekühlt und das entstehende Gefüge mittels Lichtmikroskopie untersucht. 2. Grundlagen Die Legierung Eisen-Kohlenstoff hat die für diesen Versuch wichtige Besonderheit, dass in einem bestimmten Bereich des Zustandsdiagramms die Kristallstruktur nicht wie bei Raumtemperatur kubisch raumzentriert ist, sondern kubisch flächenzentriert. Dies ist der Bereich des γ-eisens (siehe Schaubild). Abbildung 1: Fe-C-Diagramm 1
γ-fe nimmt auf Grund der dichteren Packung ein kleineres Volumen ein, daher dehnt sich eine Probe beim langsamen abkühlen während der Gefügeumwandlung aus. Die wichtigste Grundlage der Stahlhärtung ist die sogenannte Martensitbildung. Diese findet statt, wenn aus dem Bereich des γ-eisens sehr schnell abgeschreckt wird. Dabei wird zwar die Umwandlung der Kristallstruktur nicht verhindert (kfz nach krz) aber die Konzentration von Kohlenstoff im entstehenden α-eisen ist stark erhöht da die Bildung von Fe3C nicht oder kaum statt findet. Das Gitter wird dadurch tetragonal verzerrt und die entstehenden Spannungen machen das Gefüge außerordentlich hart. Welches Gefüge man bei einer bestimmten Abkühlgeschwindigkeit erhält kann man in ZeitTemperatur-Umwandlungsdiagrammen (kurz ZTU-Diagramm) ablesen. Abbildung 2: ZTU-Diagramm für Fe-C, schematisch Bewegt man sich entlang der unteren gestrichelten Linie, so wandelt sich der erhitzte Austenit unterhalb von ca. 200 C in Martensit um. Kühlt man jedoch langsamer ab und bewegt sich entlang einer der Linie darüber so entsteht bei der Umwandlung Perlit. Die Härte eines Werkstoffs kann verschiedenartig geprüft werden. Die im Versuch gewählten Methode war die Bestimmung der Härte nach Vickers. Die Vickershärte wird durch das Eindrücken einer Diamantpyramide mit quadratischer Grundfläche und einem Flächenöffnungswinkel von 136 bestimmt. Die Härte ergibt sich aus dem Verhältnis von Aufpressdruck zu Oberfläche des Eindrucks. Die Formel zur Berechnung lautet HV = p 2 p sin68 = O d2 [ ] kp mm2 (1) mit p: Belastung/Aufpressdruck O: Oberfläche des Eindrucks d: Mittel der Diagonalen des Eindrucks 2
3. Versuchsdurchführung Untersucht wurden 3 Proben eines Stahls mit 0,45% Kohlenstoffgehalt. Eine wurde an Luft bei Raumtemperatur abgekühlt, eine im Ölbad und eine in Wasser abgeschreckt. Zur Untersuchung des Entstandenen Gefüges muss die Probe zuerst zugänglich gemacht werde, das heißt die beim Abkühlen entstandene Oxidschicht muss abgetragen und das Gefüge freigelegt werden. Dazu wurden die drei Proben zunächst auf mehreren Schmirgelpapierscheiben mit feiner werdender Körnung geschliffen und anschließend mit feiner Tonerde poliert. Die polierte Stelle wurde mit alkoholischer Salpetersäure (wenige Tropfen HNO3 in Ethanol) 1:15min bzw. 1:30min (in Wasser abgeschreckte Probe) angeätzt. Mit einem Auflichtmikroskop mit angeschlossener Kamera wurden Gefügebilder aufgenommen und anschließend wurde die Vickershärte anhand von 10 Messungen mit 2kp Last ermittelt. 4. Messergebnisse Tabelle 1: Messwerte der Härtemessung nach Vickers, Werte in Messung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Durchschnitt Öl-Probe 411 408 426 426 431 450 447 447 439 445 433 Wasser-Probe 862 869 852 859 859 849 843 850,4 kp mm2 Luft-Probe 233 241 203 195 201 197 198 202 200 205 207,5 Abbildung 3: Gefügebild der an Luft abgekühlten Probe 3
Gut zu erkennen sind die feinen Lamellen in den dunkleren Bereichen. Abbildung 4: Gefügebild der in Wasser abgeschreckten Probe Hier sieht man das relativ grobe, nadelartige Gefüge. Abbildung 5: Gefügebild der in Öl abgeschreckten Probe 4
5. Diskussion der Ergebnisse Die Gefügebilder zeigen sehr gut den Effekt der unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten. Die langsam an Luft abgekühlten Probe zeigt unter dem Lichtmikroskop helle Flächen von Ferrit und dunkle Stellen in denen feine Lamellen von Perlit vorliegen welches an Korngrenzen abscheidet. Die Probe zeigte die geringste Härte im Vergleich was zu erwarten war da der grobe Perlit und Ferrit im Vergleich zu Martensit weich ist. Bei der in Öl abgeschreckten Probe ist erkennbar, dass das Gefüge deutlich feiner strukturiert ist. Die Diffusion des Kohlenstoffs wird durch das schnellere abschrecken behindert und es entstehen Strukturen von Perlit welcher Stellenweise auch als Lamellen erkennbar ist. Die Probe ist deutlich härter, als die an Luft abgekühlte da die Feinen Strukturen höhere interne Spannungen erzeugen. Die in Wasser abgeschreckte Probe zeigt stark nadelförmige Strukturen von Martensit. Zwischen den Nadeln befinden sich Gebiete in denen noch Restaustenit vorhanden ist und welche als helle Flächen erkennbar sind. Die Härte der Probe ist sehr hoch was durch die Bildung des Martensits zu erwarten war. Die Werte bei der Härtemessung wichen teilweise stark voneinander ab was auf unterschiedlich harte Stellen an der Probe hinweist. Dieser Fehler wurde durch die Mittelwertbildung aus den 10 Messungen so gut wie möglich ausgeglichen. 6. Quellen http://de.wikipedia.org/wiki/eisen-kohlenstoff-diagramm Praktikumsskript 5