Werkstoffkunde I WS 05 06 Episode 7 pot

bei verschiedenen Temperaturen nimmt es unterschiedliche Gitterstrukturen an: - bis 911°C D-Eisen Ferrit - 911 bis 1392°C J-Eisen Austenit - 1392 bis 1536°C G-Fe - ab 1536°C flüssig G-F

Abkühlkurve von Reineisen

Eisen ist allotrop, d.h bei verschiedenen Temperaturen nimmt

es unterschiedliche Gitterstrukturen an:

- bis 911°C D-Eisen (Ferrit)

- 911 bis 1392°C J-Eisen (Austenit)

- 1392 bis 1536°C G-Fe

- ab 1536°C flüssig

G-Fe: kubisch-raumzentriert wie D-Fe oberhalb der Curietemperatur

J-Fe: kubisch flächenzentriert (dichter gepackt =>

Volumenschrumpfung beim Übergang D => J nicht magnetisch

D-Fe: kubisch raumzentriert bis 769°C ferromagnetisch bei höheren Temperaturen para- (nicht) magnetisch E-Fe

Abkühlkurve von Reineisen

Die Temperaturen der Umwandlungspunkte sind mit „A“ (Arrêt = halten) gekennzeichnet und nummeriert:

- 1536 °C: Erstarrungspunkt von Reineisen (ohne Indizes)

- 1392 °C: A4Punkt J-Eisen

- 911°C: A3-Punkt unmagnetisches D-Eisen

- 769°C: A2-Punkt ferromagnetisches D-Eisen Kohlenstoffgehalt > 0,02%:

- 723 °C: A1-Punkt eutektoide Umwandlung Die Umwandlungstemperaturen sind beim Aufheizen und Abkühlen unterschiedlich (vor allem bei schnellem Temperaturwechsel), daher:

Umwandlung beim Aufheizen mit „c“ gekennzeichnet Umwandlung beim Abkühlen mit „r“ gekennzeichnet franz.: c = chauffage (Heizen)

r = refroidissement (Abkühlen) Beispiel: Ac1-Temperatur

– hieraus ergeben sich die Wärmeströme (Energien) – Differenzen der Wärmeströme sind auf Phasenübergänge der Probe zurückzuführen

– Beispiel: zusätzlicher Energieverbrauch beim

maximale Kohlenstoffgehalte:

D-Fe: 0,02 % bei 723 °CJ-Fe: 2,06 % bei 1147°C

- in J-Fe ist 100-mal so viel Kohlenstoff löslich wie in D-Fe => hierin liegt die Voraussetzung für das Härten von Stahl

- sowohl im J-Gebiet wie im D-Gebiet nimmt die max Löslichkeit von Kohlenstoff mit sinkenden Temperaturen ab

Abnahme der löslichen Kohlenstoffmenge:

Löslichkeit von Kohlenstoff im Mischkristall

Löslichkeit und mögliche Lagendes Kohlenstoffs im Fe-Gitter bei unterschiedlichenModifikationen des Eisens:

J-Fe: Kohlenstoff auf Würfelkante bzw WürfelmitteD-Fe: Kohlenstoff in Würfelflächen

Löslichkeit und mögliche Lagendes Kohlenstoffs im Fe-Gitter bei unterschiedlichenModifikationen des Eisens:

J-Fe: Kohlenstoff auf Würfelkante bzw WürfelmitteD-Fe: Kohlenstoff in Würfelflächen

911°C

1392°C

Weitere Phasen

Das im eutektoiden Punkt (0,8%C, 723°C) entstehende Gefüge bezeichnet man als Perlit

Aus Gründen des thermodynamischen Gleichgewichts können (bei p=const.) in jedem Phasengebiet eines

Zweiphasenschaubildes nur die benachbarten Phasen vorkommen

D-Eisen = DJ-Eisen = JG-Eisen = GSchmelze = SPerlit = PLedeburit = LZementit = Z

Peritektische Umwandlung (G-Fe)

Phasen G-Fe und Schmelze gleichzeitig

– eine technische Bedeutung von G-Fe gibt es (ebenso wie Schliffbilder) auf Grund der hohen Temperaturen nicht

1600

J-Fe G-Fe

J+Schmelze

Schmelze G+Schmelze

4,3 %C

E

- bei 1147°C und 4,3%C befindet sich der eutektische Punkt (E) des Eisen-Kohlenstoff-Systems

- Eutektikum = gr.: gut geschmolzen

- in diesem Punkt erstarren beide Legierungselemente gleichzeitig (gute Gießeigenschaften, da kein Erstarrungsintervall)

- es entsteht zunächst ein feines Gefüge aus Austenit und Zementit

- diese Zementitform wird Primär-Zementit genannt,

da sie aus der Schmelze entsteht

- unterhalb von 723°C zerfällt der Austenit zu Ferrit und Zementit

- technische Bedeutung gibt es nur für Gusslegierungen

4,3 %C

Ledeburit[Zementit (hell) +zerfallene J-MK (dunkel)]

Bereich des Gusseisen

A

Schliffbilder des Gefüges bei Raumtemperatur

1147 °C : gleichzeitiges Erstarren von

Primär-Zementit und J-Eisen

1147 - 723°C: Ausscheiden von Kohlenstoff als

Sekundär-Zementit aus J-Eisen wegen abnehmender Löslichkeit

723 °C: eutektoider Zerfall der J-Eisen-Phase (jetzt

noch 0,8%C) zu Perlit (D-Eisen und Zementit)

100:1

Unter- und übereutektische Gefüge

zerfallene Dentriten (dunkel)+ Ledeburit

J-MK-Schliffbilder des Gefüges

-Gusseisen hat schlechte mechanische aber sehr gute Gießeigenschaften:

• niedrige Gießtemperaturen

=>Überhitzung möglich => gute Formfüllung

• kein oder kleines Erstarrungsintervall

=> Vermeidung von Warmrissen

• sehr geringe Schrumpfung bei GGL

• Benennung der Gusseisensorten nach Graphitform: GGL, GGG, GGV

• Temperguss: GTW, GTS

Die leicht veränderten Gebiete sind durch die gestrichelten Linien gekennzeichnet

Phasen-Gefüge von Gusseisen

– Gusseisen erstarrt nach dem stabilen System, Kohlenstoff bildet sich als Graphit aus Das restliche Gefüge kann alle Gefügeformen annehmen wie bei der metastabilen Erstarrung:

ferritisch, perlitisch, ferritisch-perlitisch und austenitisch

– bevorzugt bilden sich lamellenförmige Graphitbereiche aus: GGL (2/3 der Weltgußproduktion)

– durch Zugabe von Magnesium zur Eisenschmelze formen sich die Graphitbereiche zu Kugeln:

GGV:

Vermiculargraphit (ferritisches Gefüge)

Eutektoide Umwandlung des Austenits

– übereutektoide Zusammensetzungen scheiden Zementit (Sekundärzementit, da ausJ-Fe) aus, bis die Konzentration 0,8%C entspricht

– untereutektoide Zusammensetzungen scheiden Ferrit aus, bis die Konzentration0,8%C entspricht

– eutektoide Zusammensetzungen (0,8%C) zerfallen direkt in Perlit

0,3%C

500:1 500:1 500:1

primär Zementit = direkt aus der flüssigen Schmelze erstarrt

sekundär Zementit = aus Austenit wg abnehmender Löslichkeit ausgeschieden

tertiär Zementit = aus Ferrit wg abnehmender Löslichkeit ausgeschieden

C wird an KG ausgeschieden

Austenitkorn

T = 723°C C-Gehalt im Korn auf 0,8% gesunken: Umwandlung zu Perlit an KG

Umwandlung des Austenits in der festen Phase

sekundärZementit

C-– hierbei scheidet der Fe-C-Mischkristall den nicht mehr löslichen Kohlenstoff als tertiär Zementit auf den Korngrenzen aus

Ferrit

(tertiär)Zementitauf Korngrenzen

Einfluss anderer Legierungselemente

die wichtigsten Veränderungen sind:

– die Unterstützung der Graphitausbildung durch Zugabe von

Werden neben Kohlenstoff weitere Legierungselemente zugegeben, so

verändern diese das Aussehen des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms

Werden neben Kohlenstoff weitere Legierungselemente zugegeben, so

verändern diese das Aussehen des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms

flächenzentrierte Gitterstruktur aufweisen– Beispiele für diese Stähle sind „VA-Stähle“ wie sie für Küchenspülen verwendet werden

Cr ist in Cr-Ni-Stählen nicht der Austenitbildner, sondern lediglich für die

chemische Passivierung (Rostschutz) verantwortlich

Achtung:

Cr ist in Cr-Ni-Stählen nicht der Austenitbildner, sondern lediglich für die

chemische Passivierung (Rostschutz) verantwortlich

EKD bei hohem Gehalt an Austenitbildnern

Ferritbildner:

Cr, Al, Ti, Ta, Si, Mo, V, W

Ferritbildner:

Cr, Al, Ti, Ta, Si, Mo, V, W

durch Zugabe von „Ferritbildnern“ wird eine Einschnürung des J-Gebietes hervorgerufen

 es stellt den Bereich von 0% C bis zur intermetallischen Phase Fe3C (Zementit) dar

 es ist ein System mit vollständiger Löslichkeit im flüssigen Zustand und begrenzter Löslichkeit von C in Fe im festen Zustand

 das EKD zeigt die Phasen des Zweistoffsystems Fe-C

daher hat es ein Eutektikum:

hier liegt mit 1147°C der niedrigste Schmelzpunkt im Fe-C-System

in diesem Punkt erstarren beide Legierungselemente gleichzeitig aus

der Schmelze (zu Austenit und Zementit => Ledeburit)

dabei scheiden sich beide Phasen feinstreifig nebeneinander aus (Ledeburit)

 bei 0,8% C wandelt sich Austenit eutektoid (im festen Zustand) gleichzeitig zu Ferritund Zementit (Perlit) um Diese Vorgänge ähneln stark der eutektischen Erstarrung

(feinstreifige Anordnung beider Phasen)

a Zügige Belastung

1) ruhende Belastung

2) langsam konstant steigende Belastung

3) schnell ansteigende Belastung

2

b Periodisch wechselnde Belastung

Unterscheidung der Prüfverfahren

 Zeitabhängigkeit der Belastung

Geometrie der Belastung und Belastungsart

mechanische Kenngröße? Probe wird herausgearbeitet:

– aus dem Bauteil– einem Halbzeug

Probenquerschnitt:

– kreisförmig– quadratisch– rechteckig– ringförmig– spezielle Form

Form:

– Draht – Stab – Profil

Kriterien für die Probengestaltung

proportionale Proben nach DIN EN 10 002 *:

a Probe mit kreisförmigem Querschnitt

b Probe mit rechteckigem Querschnitt

R t

L0Proportionale Zugprobe

*langer Proportionalstab: L0/d0=10 *kurzer Proportionalstab: L0/d0=5

homogenisierter C45, nach dem Bruch

Zugprobenformen

gehärteter C45, nach dem Bruch Beispiele für mögliche Probenformen

Prüfmaschine, Skizze

Verformungsstadien eines Rundstabes (experimentell)

Prüfvorrichtung mit flacher Zugprobe

– L0-Anfangsmesslänge, – Lc-Versuchslänge, – Le-Einschnürungslänge, – LG-Gleichmaßdehnungslänge, – Lu-Messlänge nach dem Bruch, – A0-Anfangsquerschnitt,

– Au-Querschnitt nach dem Bruch.

Prinzipielle Verformungsstadien eines Rundstabes

3 Re– Steckgrenze, Spannung

oberhalb derer sich die Probe/der Werkstoff plastisch verformt

Ansetzaufnehmer an Rundprobe

mit glatten Zylinderköpfen

Ansetzaufnehmer an Rundprobe mit Gewindeköpfen

Messen der Probenverlängerung

m m

A

F

p e 0

t t

L

L

H

H'H0

A

F

eH

 Beispiel Aluminium

Spannungs-Dehnungs-Diagramm (kfz)

(1) Beispiel für Hpund Hebei vorgegebener Spannung V

– V - Zugspannung [MPa], – H - Dehnung [%], – Rm– Zugfestigkeit [MPa], – ReL- untere Streckgrenze [MPa], – ReH- obere Streckgrenze [MPa], – E - Elastizitätsmodul

Rr– Dehngrenze bei vorgegebener bleibender Dehnung

(ist bei erhöhter Temperatur

zu berücksichtigen)

Ermittlung der Dehngrenzen

Rp

Parallele zur Hooke´schen Geraden

VV

Rt

Parallele zur Spannungsachse

vorgegebene

nicht-proportionale Dehnung gesamte Dehnungvorgegebene

Rr

–EntlastungskurveV

H–vorgegebene

–bleibende Dehnung

Vergleich von Zugfestigkeiten (Größenordnungen)

Gusseisen, unleg.

Cu Ni

W X40 Cr13

X35 CrMo 17 1000

1200 1400 1600

800 600 400 200

[MPa]

Zugfestigkeit Rmund Bruchdehnung A ausgewählter metallischer Werkstoffe

Spannungs-Dehnungs-Diagramm von duktilem Stahl bei verschiedenen

V

H in %

Ag– Gleichmassdehnung, Ae– Einschnürdehnung

L0– Anfangslänge, d0– Anfangsdurchmesser

kfz krz V

T1<T2<T3

Einflussfaktoren für Werkstoffkennwerte

Abhängigkeit der Streckgrenze ReHund ReL

von der Probengeometrie

Spannungs-Dehnungs-Kurve von Stahl in Abhängigkeit von der Versuchstemperatur

MPa

MPa

–weil dieser die wichtigsten Kennwerte für die Festigkeits- und Verformungsberechnung liefert,

– weil das Ergebnis reproduzierbar und nach Maß und Zahl exakt

definiert ist,– weil das Ergebnis am Probestab auf eine Konstruktion

übertragbar ist, – weil die im Zugversuch ermittelten Werte auch Schlüsse auf die Kennwerte bei anderen Belastungen wie Biegung und

Ermittlung das Verhaltens von Werkstoffen unter einachsiger,

über den Querschnitt gleichmäßig verteilter Druckbeanspruchung

Ermittlung das Verhaltens von Werkstoffen unter einachsiger,

über den Querschnitt gleichmäßig verteilter Druckbeanspruchung

Beurteilung spröder (z B Beton) und besonders beanspruchter

Werkstoffe (z B Lagermetalle)

Beurteilung spröder (z B Beton) und besonders beanspruchter

Werkstoffe (z B Lagermetalle)

Druckversuch, Grundlagen

 Hauptanwendungsgebiet des Druckversuchs

ist die Baustoffprüfung (z B Beton)

Versuche zum Test faseroptischer

 Druckversuch an einer Zylinderprobe

 Kegelstauchversuch nach Siebel

und Pomp

F

F

dabei scheiden sich beide Phasen feinstreifig nebeneinander aus (Ledeburit)

 bei 0,8% C wandelt sich Austenit eutektoid (im festen Zustand) gleichzeitig... J-Fe ist 100-mal so viel Kohlenstoff löslich wie in D-Fe => hierin liegt die Voraussetzung für das Härten von Stahl

- sowohl im J-Gebiet wie im D-Gebiet nimmt die max Löslichkeit von...

Cr ist in Cr-Ni-Stählen nicht der Austenitbildner, sondern lediglich für die

chemische Passivierung (Rostschutz) verantwortlich

Achtung:

Cr ist in Cr-Ni-Stählen nicht der