Zeit- Temperatur- Umwandlungs- Diagramme

Isotherme und kontinuierliche ZTU-Schaubilder

Stefan Oehler, Frank Gansert

2

bersicht

1. Einfhrung

2. Isotherme ZTU-Schaubilder

3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder

4. Anwendungsgrenzen von ZTU-Schaubildern

5. Einige Phasenumwandlungen im Detail

Perlit, Martensit, Bainit

Anhang: Quellen

3

Einfhrung

1. Einfhrung

bisher Diagramme nur im Gleichgewicht betrachtet

4

Einfhrung

1. Einfhrung

abhngig von der Abkhlgeschwindigkeit knnen sich aber unterschiedliche Gefgeformen ausbilden

die meisten Phasenumwandlungen sind zeitabhngige Prozesse

ZTU Diagramme

5

Einfhrung Praktische Bedeutung

1. Einfhrung

Stahl lsst sich durch eine geeignete Temperaturfhrung in seinen Eigenschaften verbessern

wichtiges Hilfsmittel fr die technische Durchfhrung von Wrme-behandlungen, insbesondere fr die Stahlhrtung

in der Regel werden ZTU- Diagramme fr die wichtigsten Sthlevon den Stahlherstellern mitgeliefert Bedienungsanleitung

6

2. Isotherme ZTU-Schaubilder2. Isotherme ZTU-Schaubilder

2. Isotherme ZTU-Schaubilder

7

Erstellen eines isothermen ZTU-Schaubildes

2. Isotherme ZTU-Schaubilder

1. Eine Probe bei TB [> TS] homogenisieren

2. schnelle umwandlungsfreie Abkhlung der Probe aus der Behandlungstemperatur TB auf Untersuchungstemperatur T*

3. die Untersuchungstemperatur T* isotherm halten (ca. 300-700C)

4. Unterbrechen des Umwandlungsvorganges durch Abschrecken der Proben nach unterschiedlich langen Haltezeiten

Keine weitere nderung der Gefgestruktur Ausmessen der Gefgebestandteile

2. Isotherme ZTU-Schaubilder

8

Erstellen eines isothermen ZTU-Schaubildes

2. Isotherme ZTU-Schaubilder

es bedarf einer Inkubationszeit (a) bis die Umwandlung (b) startet

die Umwandlungszeit (b) gibt die Dauer der Umwandlung an

1-4 wiederholen fr verschiedene T*

alle tB und tE in ein Temperatur-Zeit- Diagramm bertragen

fr jede T* wird sich qualitativ das gleiche Bild ergeben

9

Erstellen eines isothermen ZTU-Schaubildes

2. Isotherme ZTU-Schaubilder

10

Ablesen eines isothermen ZTU-Schaubildes

2. Isotherme ZTU-Schaubilder

11

3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder

3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder

12

die kontinuierlichen ZTU-Schaubilder sind den isothermen sehr hnlich

es laufen diesselben Vorgnge im Gefge ab

die Temperaturen bei bzw. die Zeiten nach denen ein bestimmter Umwandlungsvorgang stattfindet, sowie die Volumenanteile der dabei entstehenden Gefgebestandteile unterscheiden sich

Abgrenzung zu isothermen ZTU-Schaubildern

3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder

13

Erstellen eines kontinuierlichen ZTU-Schaubildes

3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder

1. kontinuierliches Abkhlen nach einer bestimmten Haltedauer auf Austenitisierungs- Temperatur mit unterschiedlichen in der Praxis realisierbaren Geschwindigkeiten

2. Stetiges Messen und Registrieren

bei langsamer Abkhlung: Dilatometerverfahren

bei rascher Abkhlung: Thermische Analyse

14

Erstellen eines kontinuierlichen ZTU-Schaubildes

3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder

15

Erstellen eines kontinuierlichen ZTU-Schaubildes

3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder

16

Erstellen eines kontinuierlichen ZTU-Schaubildes

3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder

17

Ablesen eines kontinuierlichen ZTU-Schaubildes

3. Kontinuierliche ZTU-Schaubilder

18

4. Anwendungsgrenzen von ZTU-Schaubildern

4. Anwendungsgrenzen von ZTU-Schaubildern

19

Anwendungsgrenzen von ZTU-Schaubildern

4. Anwendungsgrenzen von ZTU-Schaubildern

nur entlang der Isothermen, bzw. der eingezeichneten Abkhlkurveabzulesen

Beeinflussung durch Schwankungen in der Stahlzusammensetzung

gelten nur fr die angegebenen Austenitisierungsbedingungen

Abkhlkurven nur fr kleine Probekrper ermittelt

oftmals erhebliche Abweichung bei Werkstcke mit greren Wanddicken oder unregelmiger Geometrie

20

Anwendungsgrenzen von ZTU-Schaubildern

4. Anwendungsgrenzen von ZTU-Schaubildern

ZTU-Diagramme geben das Umwandlungsverhalten eines Stahles immer nur mit einer gewissen Annherung wieder!

21

5. Einige Phasenumwandlungen im Detail

5. Einige Phasenumwandlungen im Detail

22

Einige Phasenumwandlungen im Detail

5. Einige Phasenumwandlungen im Detail

3 Unterkhlungsstufen:

Bei langsamer Abkhlgeschwindigkeit Perlitbildung Diffusion von C-Atomen mglich Diffusion von Fe-Atomen mglich

Bei erhhter Abkhlgeschwindigkeit Bainitbildung Diffusion von C-Atomen erschwert Diffusion von Fe-Atomen nicht mehr mglich

Bei hoher Abkhlgeschwindigkeit Martensitbildung Diffusion von C-Atomen nicht mehr mglich Diffusion von Fe-Atomen nicht mehr mglich

23

Perlit

5. Einige Phasenumwandlungen im Detail

abwechselnde Keimbildung und Wachstum von Zementit- und Ferritkristallen (Perlit)

die mit sinkender Umwandlungstemperatur abnehmenden Diffusionswege fhren in Verbindung mit einer vermehrten Keimbildung zu kleineren Lamellenabstnden des Perlits (feinlamellarer Perlit, bzw. feinstlamellarer Perlit)

24

Martensit

5. Einige Phasenumwandlungen im Detail

Spontane, diffusionslose Umwandlung ohne Konzentrationsnderung

Unterhalb der Martensit-Startemperatur wird eine bestimmte Menge Martensit gebildet

Phasenumwandlung von kfz nach trz (krz)ber Scherbewegungen

Kohlenstoff kann nicht diffundieren, bleibt im Gitter, Gitter verspannt

Bei Unterkhlung bis MF wird 100% Martensitgebildet

25

Martensit

5. Einige Phasenumwandlungen im Detail

Lattenmartensitin Sthlen mit < 0,4% C und Fe-Basislegierungen mit < 25% Niwchst in Lattenform mit 1m Breite, die ein ganzes Austenitkorn durchziehen ohne Austenit zurckzulassen

Plattenmartensit> 0,4% C neben dem Lattenmartensit auftretend> 0,8% C tritt vorwiegend Plattenmartensit aufdie Martensitplatten durchziehen ein ganzes Korndie Bildung neuer Platten ist durch die bereits gebildeten behindert, Restaustenit bleibt zurck hohe Versetzungsdichte und Zwillingsbildung

Lanzetttmartensit; C2,6(Stahl mit 0,026% C)

Plattenmartensit; 49Ni48 (0,49% C mit 12% Ni)

26

Martensit

5. Einige Phasenumwandlungen im Detail

Martensitplatten (wei) in Austenitmatrix in einer Fe-1,25-Masse-%-C-7,05-Masse-%-Ni-Legierung, die aus dem Austenitbereich auf Raumtemperatur abgeschreckt wurde

27

Bainit (Zwischenstufengefge)

5. Einige Phasenumwandlungen im Detail

Oberer Bainit (350C - 570C)

Diffusion von C-Atomen im Austenitkristall

Bildung von an C verarmten Bereichen

diffusionslosen Umklappvorgang in plattenfrmigen bainitischen Ferrit

Anreicherung von Kohlenstoff bis zur bersttigung

Bildung von Zementitkristallen zwischen den Ferritplatten

28

Bainit (Zwischenstufengefge)

5. Einige Phasenumwandlungen im Detail

Unterer Bainit (Ms - 350C)

durch diffusionslosen Umklappvorgang Bildung von Ferritplatten

wegen niedrigeren Temperaturen keine ausreichende Diffusion der C-Atome im Austenit mehr mglich C-Atome im Ferritkristall in Zwangslsung

C- Atome knnen sich aber im krz der Ferritplatten in Form von Zementitkristallen ausscheiden

29

Quellen

Anhang: Quellen

Vorlesungsskript Konstitutionslehre WS 2008/09Prof. Reimers

MetallografieSchumann, Hermann; Oettel, Heinrich; 14. Auflage; 2005

Wrmebehandlung des StahlsLpple, Volker; 9. Auflage; 2006

Physikalische Grundlagen der MaterialkundeGottstein, Gnter; 3. Auflage

Metalle, Struktur und Eigenschaften der Metalle und LegierungenHornbogen, Erhard; Warlimont, Hans; 5. Auflage

http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2002/martensite.html

Folie 1Folie 2Folie 3Folie 4Folie 5Folie 6Folie 7Folie 8Folie 9Folie 10Folie 11Folie 12Folie 13Folie 14Folie 15Folie 16Folie 17Folie 18Folie 19Folie 20Folie 21Folie 22Folie 23Folie 24Folie 25Folie 26Folie 27Folie 28Folie 29