Werkstoffe 6 - Wärmebehandlung Der Stähle

WERKSTOFFE 6 Dr. Bernd Stange-Grneberg, April 2014


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6. WRMEBEHANDLUNG DER STHLE

6.1. EINFHRUNG

6.2. THERMISCHE AKTIVIERTE VORGNGE

6.3. GLHBEHANDLUNGEN

6.4. HRTEN


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6.5. ANLASSEN

6.6. VERGTEN

6.7. OBERFLCHENHRTEN

6.8. ANLAGEN ZUR WRMEBEHANDLUNG


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Empfehlenswerte Zusatzliteratur :

LPPLE, VOLKER (2010) Wrmebehandlung des Stahls akt . u. erw . Aufl.

Europa -Lehrmittel: Haan. ISBN 978 -3-8085-1310-1, 27,30.


5

LIEDTKE, DIETER (2005) Wrmebehandlung von Stahl Hrten, Anlassen,

Vergten, Bainitisieren -Informations -Zentrum: Dssel-

dorf . ISSN 0175-2006.
http://www.stahl-info.de/schriftenverzeichnis/pdfs/MB450_2005.pdfhttp://www.stahl-online.de/wp-content/uploads/2013/10/MB450_2005.pdf


6

LIEDTKE, DIETER (2005) Wrmebehandlung von Stahl Nitrieren und Nitro -

carburieren -Informations -Zentrum: Dsseldorf. ISSN

0175-2006.
http://www.stahl-info.de/schriftenverzeichnis/pdfs/MB447_Waermebehandlung_von_Stahl.pdfhttp://www.stahl-online.de/wp-content/uploads/2013/10/MB447_Waermebehandlung_von_Stahl.pdf


7

LIEDTKE, DIETER (2009) Wrmebehandlung von Stahl Randschichthrten

Merkblatt 236. Stahl -Informations -Zentrum: Dsseldorf. ISSN 0175-2006.
http://www.stahl-info.de/schriftenverzeichnis/pdfs/MB236_Waermebehandlung_von_Stahl_Randschichthaerten.pdfhttp://www.stahl-online.de/wp-content/uploads/2013/10/MB236_Waermebehandlung_von_Stahl_Randschichthaerten.pdf


8

LIEDTKE, DIETER (2008) Wrmebehandlung von Stahl Einsatzhrten -

blatt 452. Stahl-Informations -Zentrum: Dsseldorf. ISSN 0175-2006.
http://www.stahl-info.de/schriftenverzeichnis/pdfs/MB452_Einsatzhaerten.pdfhttp://www.stahl-online.de/wp-content/uploads/2013/10/MB452_Einsatzhaerten.pdf


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Einfhrung


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Begriffe & Definitionen


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EN 10052: Begriffe der Wrmebehandlung von Eisen-Werkstoffen 1

Wrmebehandlung von Sthlen ist eine

Folge von Wrmebehandlungsschritten ,

in deren Verlauf ein Werkstck ganz oder teilweise

Zeit-Temperatur -Folgen

unterworfen wird

1 Darber hinaus wird in DIN 17014 die Wrmebehandlung anderer Metalle geregelt .


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um eine

nderung seiner Eigenschaften

und/oder

seines Gefges

herbeizufhren. Gegebenenfalls kann whrend der Be-

handlung die chemische Zusammensetzung des Werk -

stoffes


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Wrmebehandlung engl.: heat treatment

Wrmebehandlungsverfahren gehren nach zur Hauptgruppe 6

der Fertigungsverfahren :

8580

Stoffeigen-schaften ndern

Fertigen durch Eigenschaftsnderungen von Werk -

stoffen , z.B. mittels Erzeugung und Bewegung von Ver-

setzungen im Kristallgitter, Diffusion von Atomen oder

chemische Reaktionen mit Wirkmedien; neben Wr-

mebehandeln zhlen u.a. Verfestigen durch Umfor -

men oder thermomechanisches Behandeln dazu.


Formhrten Kaltwalzen Glhen


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Ziele der Wrmebehandlung

Gefge-ausbildung

ungnstige Gefgezustnde

Begleit-elemente

Verun-reinigungen

Abkhl-bedingungen

Warm-/Kalt-umformung



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Einstellung von (geforder-ten) technologischen Eigen-

schaften bei erhhter Temperatur

Wrmebehandlung

Beseitigung ungnstiger

Gefgezustnde

gezielte Einstellung besonders gnstiger

Gefgezustnde

Variation/optimale Einstellung von Eigen-

schaften entsprechend Weiterverarbeitung und

Anwendung



Festigkeit : verbesserte Umformung/Zerspanung Weichglhen, Grobkornglhen

Verhinderung von Formnderungen, Ri, Bruch Spannungsarmglhen

Verbesserung der Zhigkeit Normalglhen, Rekristallisationsglhen

Beseitigung von Konzentrationsunterschieden Diffusionsglhen

Ausscheidung neuer Phasen: Hrte Aushrten

Verbesserung von Festigkeit, Zhigkeit, Hrte Normalglhen, Hrten, Vergten, Bainitisieren

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Ziele einer Wrmebehandlung

Verbesserung der Gebrauchseigenschaften

Schaffung optimaler Bearbeitungsmglichkeiten

Abbau innerer Spannungen

Beseitigung von Kaltverfestigung

Beseitigung von Seigerungen

Erzeugung neuer Phasen im Gefge



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Verfahren der Wrmebehandlung

WRMEBEHANDLUNG

Gl

hen

H

rte

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Ve

rgte

n


Aush

rt

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rmo

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Grundlagen


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Unterscheidung nach Vollstndigkeit der Wrmebehandlung:


durchgreifende Wrmebehandlung

Randschicht-behandlungen

gezielte Vernderung des Gefges im ge-samten Querschnitt

eines Bauteils

Vernderung oberflchennaher

Schichten

Grundlagen


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Grundlagen


21


Grundlagen


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Grundlagen

Ausnutzung bestimmter werkstoffphysikalischer Prinzipien:

Diffusion in Metallen

Rekristallisation (Kornneubildung)

Kornwachstum

Temperaturabhngigkeit bestimmter Werkstoffkennwerte

Lsungsverhalten fr Fremdatome

Gitterumwandlungen ( unterschiedliche Lslichkeit fr Fremdatome)

Haltetemperatur < TS nur Umwandlungen im festen Zustand

Anwendung mehrerer Wrmebehandlungsverfahren nacheinander blich

Prinzip der Wrmebehandlung


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Temperatur T

Zeit t

Haltetemperatur

Rand

Kern

Temperaturfhrung bei einer Wrmebehandlung:


Grundlagen

Anwrmen

Durchwrmen

Halten

Abkhlen


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Grundlagen

Haltedauer und temperatur abhngig von Zie-

len der Wrmebehandlung

T-Unterschied Rand/Kern bei Erwrmen/Ab -

khlen Wrmeleitung ist abhngig von T und

chemischer Zusammensetzung

Wrmebergang durch Strahlung, Konvektion,

Direkterzeugung

Temperatur T

Zeit t

Haltetemperatur

Rand

Kern

Anwrmen

Durchwrmen

Halten

Aufheiz-/Abkhlgeschwindigkeit abhngig von

Form, Wrmeleitfhigkeit und Sprdigkeit

Abkhlen


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Thermisch aktivierte Vorgnge


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Einfhrung


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Einfhrung

thermisch aktivierte Vorgnge sind Vorgnge, bei denen Atome durch thermische

Schwingungen ihre Gitterpltze wechseln


thermisch aktivierte Vorgnge

Cave: Alle Zustandsnderungen erfordern Platzwechsel der beteiligten Ato-

me (Ausnahme: martensitische Phasenumwandlung Hrten)

Platzwechsel kein kontinuierlicher Vorgang, sondern stufenweiser Proze

Bedingung: Abnahme der freien Energie des Systems

Erwrmung berschreiten einer bestimmten Aktivierungsenergie zum


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Aktivierungsenergie zum Platzwechsel :

Betrag von Kristallgittertyp und Atomgre abhngig



Metallatome (Austauschmischkristalle)

Nichtmetallatome (Einlagerungsmischkristalle)

EA

Leerstellen

Lcken

Einfhrung

WW von Einlagerungsatomen und Zwischengitterpltzen , Leerstellen

usw. miteinander Voraussetzung fr Platzwechsel.


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praktische Bedeutung der Platzwechselvorgnge in der Werkstofftechnik:



Diffusion Ausgleich von Konzentrationsunterschieden

Erholung & Rekristallisation

Beseitigung der Folgen von Kaltverformung

Zeitfestigkeiten bei hheren Temperaturen Kriechvorgnge

Einfhrung


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Diffusion


31

Begriffe & Definitionen Diffusion

Definition

Diffusion ist ein thermisch aktivierter Platzwechsel von Atomen unter Einflu eines

Konzentrationsgradienten

Triebkraft Entropiestreben : Zustand mit geringerer Ordnung des Systems

statistischer Vorgang

mageblich fr den Massentransport in Festkrpern

Ausgleich von Konzentrationsunterschieden Grundlage fr zahlreiche



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Selbstdiffusion

Platzwechsel gitter-eigener Atome mit

Leerstellen

Diffusion

Unterscheidung


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Fremddiffusion

Platzwechsel gitter-fremder Atome (Aus-gleich von Konzentra-tionsunterschieden)

Diffusion

Unterscheidung


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mathematische Beschreibung der Diffusionsvorgnge :

Platzwechsel der Teilchen Teilchenstrom J

1. FICKsches Gesetz: J = -D dcA/ dx bzw.

dmA = -D dcA/ dx Sdt

Diffusionsgeschwindigkeit ist abhngig

von D und dcA/ dx (Konzentrationsgra-

dient)



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Diffusionskoeffizient D :

Bercksichtigung der :

Gre des wandernden Atoms

Bindungen im Metallgitter ( Packungsdichte)

Diffusionswege: Leerstellen, Zwischengitterpltze, Versetzungen, Korn -

Temperaturabhngigkeit nach ARRHENIUS:

D = D0 exp(-EA/ RT)



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Temperaturabhngigkeit der Diffusion :

D fr T

Gase besitzen deutlich hhere

Diffusionskoeffizienten als Le-

gierungselemente



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Diffusionsverhalten ist abhngig vom Ort der Diffusion :

Oberflchendiffusion

Korngrenzendiffusion

Volumendiffusion



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Platzwechselmechanismen

Leerstellen-mechanismus

Zwischengitter-mechanismus

Austausch-mechanismus

bersicht

direkter Platzwechsel aus energetischen Grnden unwahrscheinlich; nicht erforder-lich wegen hoher Fehlstellendichte

Diffusion
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/diffusion/index.php


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Platzwechselmechanismen

Leerstellen-mechanismus

EA D EA D

Zwischengitter-mechanismus

Beispiel

Cr in -Fe:

EA = 247 kJ/ mol

D = 1,3 10-13 m2/s (bei 800 C)

langsame Diffusion

Beispiel

C in -Fe:

EA = 88 kJ/ mol

D = 1,6 10-5 m2/s (bei 800 C)

schnelle Diffusion

fr arteigene Atome nur bei hohen Temperaturen wahrscheinlich; bedeutsam fr Einlagerungsatome, deren Durchmesser kleiner als der der Wirtsatome ist

Diffusion


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Triebkrfte fr Vorzugsrichtung der Diffusion :

Konzentrationsunterschied

Bsp.: Aufkohlung beim Einsatzhrten

Temperaturunterschied

Bsp.: gerichtete Erstarrung beim Gieen

Umwandlungsbestreben instabiler Phasen

Bsp.: Phasenumwandlung / -Eisen

Verringerung der Oberflchenenergie

Bsp.: Einformung von lamellarem Zementit

Platzwechselmechanismen Diffusion


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zeitliche und rtliche Konzentrationsnderung: 2. FICKsches Gesetz

Beschreibung von dynamischen und nicht-stationren Vorgngen

c/ t = D 2c/ x2

Bestimmung der Randbedingungen Lsung der Differentialgleichung

Bedeutung :

thermochemische Behandlungen von Stahl

Eindringtiefe beim Aufkohlen: x = (D t )

Ermittlung des Schichtdickenwachstums bei chemischer Kor-

rosion

Anwendungen Diffusion
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/diffusion/fick2.phpLehrmaterial/bungsaufgaben Werkstoffe 6.1. - Diffusion.pdf


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KIRKENDALL-Experiment (1942):

Messingkern (CuZn70) mit Cu-

Mantel

Mo-Drhte als Marker in Grenz-

schicht

Diffusionsvorgnge bei 780 C:

Zn: Kern Mantel

Cu: Mantel Kern

KIRKENDALL-Effekt ( Interdiffusion ) Diffusion


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Mo-Drhte rcken im Laufe der Zeit nher zusam-

men

asymmetrische Diffusion: vZn > vCu

Beweis fr Leerstellendiffusion

Zwischengitterdiffusion: keine Volumennde-

rung der Materialien



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Folgen der Interdiffusion :

KIRKENDALL-Lcher

Phase, deren Volumen abnimmt

Einflu auf die Stabilitt von Metallverbindungsstellen

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/diffusion/interdiffusion.php


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Exkurs: Seigerungen


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Erstarrung eines Metalls besitzt keine unendlich langsame Abkhlgeschwin -

digkeit (dT/dt > 0) Konzentrationsunterschiede innerhalb der Kristalle

( )

Ergebnis : schichtfrmig aufgebaute Krner mit einem sich vom Kern zum

Rand hin kontinuierlich verndernden Gehalt an der Komponente B

Kristallseigerung /Mikroseigerung Zonenmischkristall

Kristallseigerung ist umso ausgeprgter

je hher die Abkhlgeschwindigkeit

je kleiner die Diffusionsgeschwindigkeit der beteiligten Elemente

je ausgedehnter das Erstarrungsintervall der Legierung

Exkurs: Seigerungen

Entstehung

Diffusion engl.: segregation


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Vorgnge im Phasendiagramm :

Abkhlung von L: bei T1 Bildung

von Kristallkeimen mit c1

weitere Abkhlung: bei T2 Zu-

sammensetzung c2 nach Aus-

tausch von A und B bei T > T2

Konzentrationsausgleich bei

technischer Abkhlung unvoll -

stndig (dT/ dt > 0)

Exkurs: Seigerungen Entstehung Diffusion


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Vernderung der Zusammenset-

zung entlang A-E

Abschlu Erstarrung bei T4: c1*

Zusammensetzung der Gesamt-

heit aller Mischkristalle folgt

der Linie A-F

Verschiebung der Soliduslinie ,

bei T2 erstarrende Kristalle ha -

ben c2 ( c2*)



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bei sehr langsamer Abkhlung:

Erstarrung bei T3 (B) abgeschlos-

sen

bei technischer Abkhlung : bei

T3 noch Restschmelze, die wie -

ter abkhlen kann

Erstarrung abgeschlossen bei T4:

Linie A-F erreicht Ausgangszu-

sammensetzung

ausgeschiedene Mischkristalle bei T4: c4 (B-reicher als die Schmelze)



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Kristallseigerungen fhren nach einer Warmumformung meist zu einem zei -

ligen Sekundrgefge mit unerwnschten Eigenschaften, sowohl im Mikro -

als auch im Makrobereich

Mikrobereich :

Beeinfluung des Kornwachstums

Vernderung der Umwandlungstemperatur bei einer Wrmebehandlung

Beeinfluung des Aufschmelzverhaltens

Verschlechterung des Korrosionsverhaltens

Exkurs: Seigerungen Effekte Diffusion


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Makrobereich :

Verschlechterung des Umformverhaltens (Seigerungsrisse)

Verschlechterung der statischen Festigkeit und Schwingfestigkeit

unterschiedliche Verformbarkeit bzw. Zhigkeit des Werkstoffs in Quer - und

Lngsrichtung

Vernderung von

thermischem Ausdehnungsverhalten

Zerspanungseigenschaften

magnetischen Eigenschaften

Beseitigung der Konzentrationsunter -

schiede Isotropiegrad Diffusionsglhung an X38CrMoV5-1



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Block- oder Makroseigerungen :

Entmischungen, die sich ber ein Korn hinaus erstrecken Konzentrations-

unterschiede zwischen unterschiedlichen Bereichen eines Gustckes

zu Kristallseigerungen analoge Entstehung, aber in deutlich grerem Ma -

stab

Erstarrung der Schmelze am Rand der Form Kristallite wachsen stengel-

frmig in das Innere und schieben eine sich mit Verunreinigungen und be-

stimmten zur Blockseigerung affinen Elementen anreichernden Restschmel-

ze vor sich her

Elemente , die zu Blockseigerungen neigen: S > P > C > O > Mn



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besonders ausgeprgt bei unberuhigtem Vergie -

en des Stahls: aufsteigende Gasblasen ziehen

dnnflssige, mit Verunreinigungen angereicher -

te Schmelze mit nach oben

unberuhigtes Vergieen nur bei unlegierten Sth-

len mit C < 0,25%

primr erstarrende Kristalle mit geringerer Dichte

als die Restschmelze Aufsteigen und Anreichern

dieser Kristalle im oberen Bereich der Schmelze

(z.B. Sb-Kristalle in PbSb-Leg.): Schwerkraftseigerung

unberuhigt vergossener Block



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Erholung & Re-kristallisation


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Kristallerholung


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Kristallerholung engl.: recovery Erholung & Re-kristallisation

Unter Kristallerholung versteht man die Beseitigung der Folgen einer

plastischen Verformung (z.B. Kaltverformung) ohne Neubildung des Gefges

( Rekristallisation) oder Verschiebung der Korngrenzen.

Verformung erfolgt bei relativ niedrigen Temperaturen verformter Zustand

bleibt erhalten (stabile Struktur): mechanisches Krftegleichgewicht , aber

thermodynamische Instabilitt

Cave: Bei Kristallerholung findet keine Gefgeneubildung statt!!!


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Kristallerholung engl.: recovery Erholung & Re-kristallisation

hinreichende Aktivierung (unter -

halb Rekristallisationstemperatur)

Annihilation von Stufenversetzungen

Kaltverfestigung

Polygonisation & Subkornbildung

(thermodynamische Stabilitt )


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Kristallerholung

Rckbildung von Eigenschaften

auf Werte vor der Verformung

(unter Erhalt der Verfestigung)



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Rekristallisation


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Rekristallisation Erholung & Re-kristallisation

Recrystallization is the formation of a new grain structure in a deformed

material by the formation and migration of high angle boundaries driven by

the stored energy of deformation . (DOHERTY et al. 1997)

Voraussetzung fr Rekristallisation: berschreiten einer bestimmten Mindest-

temperatur (Rekristallisationstemperatur TRekrist.)

TRekrist . ist diejenige Temperatur, die bei einem

kaltverformten Gefge mit vorgegebenem Um -

formgrad in einem begrenzten Zeitraum (1 h)

zu einer vollstndigen Rekristallisation fhrt .

Abhngigkeiten

Hhe der vorangegangenen Kaltverformung

Schmelztemperatur des Werkstoffes


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mit steigendem Umformgrad sinkt TRekrist .

Zahl der Kristallfehler

Gitterverspannungen

Verformungsenergie (im Gitter gespei-

chert ) uere Aktivierung (erhhte Tem-

peratur ) zur Rekristallisation notwendig

Cave: Zur Einleitung der Rekristallisation ist

ein Mindestumformgrad krit . erforderlich!

Rekristallisation

Verformungsgrad



62

TRekrist . nimmt mit steigender Schmelztem -

peratur des Metalls zu

TS : Zusammenhalt zwischen Atomen

Rekristallisation (Platzwechsel der Me-

tallatome !) ist erschwert

empirischer Zusammenhang (TRekrist ./TS in

C):

TRekrist . TS 164 C

Rekristallisation

Schmelztemperatur



63

Rekristallisation

berblick



64

Rekristallisation Kornwachstum

grobes Korn fhrt zu deutlicher Verminderung von Festigkeit und Zhigkeit

Korngre nach der Rekristallisation ist abhngig von

Rekristallisations - oder Glhtemperatur

Umformgrad der Kaltverformung

Dauer der Wrmebehandlung

Darstellung im Rekristallisationsdiagramm

Rekristallisation

Kornwachstum



65

Rekristallisation

Kornwachstum


Rekristallisationsdiagramm


66

bei gegebener Temperatur kann erst nach

berschreiten eines Mindestumformungs -

grades R1 eine Rekristallisation des Gef-

ges erwartet werden

T : Rekristallisation beginnt bei einem

geringeren Umformungsgrad

knappe berschreitung des Mindestum -

formgrades relativ grobes Korn

Rekristallisation

Korngre & Umformgrad

t = const



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Umformgrade, die deutlich ber dem

Schwellenwert liegen, fhren zu einem re-

lativ feinen Korn (stark verformte Berei -

che als Kristallisationskeime)

Rekristallisation



t = const


68

Rekristallisation


Grobkorn/Feinkorn in

Abhngigkeit vom Umformgrad



69

Rekristallisation


Grobkorn/Feinkorn in

Abhngigkeit vom Umformgrad



70

gegebener Umformgrad: berschreiten einer be-

stimmten Temperatur R1 Rekristallisation

: Rekristallisation beginnt bei niedrigeren

Temperaturen

Korngre des rekristallisierten Gefges steigt mit

zunehmender berschreitung der Mindestrekristal -

lisationstemperatur R

Rekristallisation

Korngre & Temperatur

t = const



71

Rekristallisation erst nach Erreichen eines

ausreichend hohen Umformgrades

Rekristallisationstemperatur fr diesen

Umformgrad darf nicht unterschritten

werden

Wrmebehandlung mglichst kurz ( Korn-

vergrerung /sekundre Rekristallisation ) Glhtemperatur = konstant

Rekristallisation

Zusammenfassung



72

Rekristallisation

sekundre Rekristallisation


Unter sekundrer Rekristallisation versteht man Anwachsen einiger Krner

auf ein Vielfaches. In der Folge bildet sich ein unregelmiges Gefge mit

einigen sehr groen Krnern.

Ursachen sind sehr hohe Glhtemperaturen und/

oder sehr lange Haltezeiten .

T > TRekrist . (primre) Rekristallisation

Kornvergrerung (einzelne Krner wer -

grobkrniges, aber regelmiges Gefge


73

Hrtemessungen als Indikator des ber-

gangs von Kristallerholung zur Rekristal -

lisation Bereiche I bis IV:

Bereich I: mit steigender Temperatur n-

dert sich die Hrte nur wenig

Bereich II: oberhalb einer bestimmten

Temperatur E: Verminderung der Hrte

Rekristallisation

Erholung vs. Rekristallisation



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Bereich III: deutlicher Hrteabfall inner-

halb eines schmalen Temperaturinter -

valls

Bereich IV: oberhalb von R nur noch ge-

ringfgige Hrteabnahme

Rekristallisation

Erholung vs. Rekristallisation



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Rekristallisation

Kalt- und Warmverformung

Verformung (z.B. Schmieden, Walzen) unterhalb TRekrist .

begrenzte Verformbarkeit : Zhigkeit und Plastizitt fr (Kaltverfesti -

gung Ri-/Bruchgefahr ohne Zwischenglhen)

Verformung oberhalb TRekrist .

Rekristallisation bereits whrend bzw. unmittelbar

nach der Verformung



76

beliebig starke Verformung mglich (ohne Ri oder Bruch)

verformungssimultane Rekristallisa -

tion bei ausreichend hoher Umform-

temperatur

Rekristallisation

Kalt- und Warmverformung


Werkstoffe 6 - Wärmebehandlung Der Stähle

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