Konstitutionslehre (Fach) / Werkstoffe (Lektion)

physikalisch/ chemische Grundlagen der Werkstoffe

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• Warum ist das Fe-C nur ein Gleichgewichtsschaubild? gilt nur im Grenzfall, bei unendlich langsamer Abkühlung real: Erwärmungsprozesse und Abkühlgeschwindigkeiten endlich Diffusionszeitabhängigkeit nicht berücksichtigt
• Welche Reaktionen sind im Fe-C zu finden? peritektische: Sm + Mkr δ -> Mkr γ (Peritektikale b. 1493°C) eutektische: Sm -> γ + Fe3C (Eutektikale b. 1147°C) eutektoide: γ -> α +Fe3C (Eutektoide b. 723°C)
• Was ist ein Gefüge? räuml. Anordnung v. Phasen (real: mit allen Defekten)  
• Was ist ein Korn? kristalliner Phasenanteil mit einheitlicher Orientierung begrenzt durch Korn- oder Phasengrenze
• Was sind die Korn- oder Phasengrenze? Korngr.: Grenze eines Korns- 2D Phasengr.: Korngrenze mit anderen physik.-chem. Eigenschaften
• Was ist das Ferrit? α- Eisen- entsteht im eutektoiden krz löst bei 723°C 0,02% C, bei RT 10-5 % C zw. 723°C u. RT ggf. Fe3C Ausscheidungen auf Korngrenzen weich,zäh,gut formbar  
• Wie ensteht Ferrit? aus der Abkühlung des Austenit kfz Gitter des instabilen Austenit klappt um in krz Gitter Ferrite wachsen in Schmelzbahn und bilden große Körner drängen C- Atome raus -> Enstehung Ferrit Ferritlamellen wachsen v. Austenitkorngrenzen in Korn C keinen Platz mehr-> diffundiert aus ferritischen Bereich raus und reichert sich in Restaustenit an C-Überschuss wird als Zementit ausgeschieden
• Was ist Austenit? γ- Eisen -> ensteht aus Schmelze bei 1147°C b. 723°C eutektoider Zerfallin Perlit und Ferrit kfz-Gitter -> viel Platz fürC-Atomme (vorrangig in Mitte einer Kante) nur jede 3. EZ, da C Gitter verzerrt b. 1147°c 2,06% C b.723°C 0,83% C C ersetzt nicht die Fe- Atome-> Einalgerungsmkr. b.RT nur stabil b. Zugabe v. Cr, Ni oder Mn kann nicht abgeschreckt oder normalgeglüht werden-> Umwandlung beruht auf Austenit in Perlit zäh, hochwarnfest, unmagnetisch, gut verformbar  
• Was ist das Perlit? zweiphsiges gefüge mit perlmuttartigen glanz feinkörniges lamellares Kristallgitter aus Ferrit und Zementit
• Wie ensteht Perlit? aus eutektoiden Zerfall von Austenit Ferritlamellen wachsen v. Austenitkorngrenzen in Korn C- Überschuß entsteht,der als Zementit ausgeschieden wird
• In welche Bereiche kann die eutektoide Reaktion geteilt werden? untereutektoid: < 0,83% ( Perlit + Ferrit) eutektoid: = 0,83% (Perlit) übereutektoid: > 0,83% (Perlit+ Sekundärzementit)
• Was ist der Ledeburit? entsteht bei C>2,06%-> eutektische Legierung Ledeburit I= Austenit + Zementit eutektische Erstarrung der Restschmelze b. 723°C eutektoide Umwandlung in Ledeburit II = Perlit + Sekundärzementi C>4,3% scheidet Schmelze Primärzementit aus-> eutektisch Ledeburit I+ Primärzem., dann eutektoid Ledeburit II + Primärzem.
• Wie erfolgt die isotherme Umwandlung von Perlit? bei Austenit-> Ferrit Umwandlung laufen zwei Vorgänge gleichzeitig ab 1. Umklappen kfz in krz 2. Diff. C, Ausscheidung von Zementit  
• Welche Faktoren beeinflussen die Diffusion? Abkühlgeschwindigkeiten: je schneller, desto weniger Diffusion Temperatur: mit sinkender Temp. wird Diff. des C gehemmt
• Was passiert mitPerlit b. zunehmender Abkühlgeschwindigkeit? wird feinstreifiger
• Wie können die Umwandlungen von Austenit erfolgen? langsame Abkühlung: Bildung von Perlit moderate Abkühlung: Bildung von Bainit schnelle Abkühlung: Bildung v. Martensit
• Wie erfolgt die isotherme Umwandlung von Martensit? weitere Erhöhung der Abkühlgeschw. C-Diff. vollständig unterdrückt C bei γ ->α Umwandlung "eingeklemmt" Volumenausdehnung von 5% - unterhalb Grenztemp. Ms bildet sich mit Schallgeschwindigkeit Martensit - Martensitmenge abhängig von Temp. nicht von Zeit -> diffusionslose Umwandlung - Temp.,wo 100% Martensit gebildet = Mf - Differenz Mf- Ms ~ 250°C - Ms u. Mf abhängig v. C- und Leggehalt des Stahls und vorheriger Behandlung des Austenit
• Welche Martensitarten können sich bilden (kurze Erklärung)? Lattenmartensit: vorwiegend in Stählen mit <0,4% C - wächst in Form v. Paketen mit Latten in Austenit, ohne Restaustenit zurückzulassen - Latten wachsen schlagartig,bis Paket aufeinandertrifft oder Austenitkorngrenze erreicht wird -Anpassung kfz-krz durch Versetzungen -oberhalb 0,2% C wird Kristallgitter v. C tetragonal verzerrt Plattenmartensit: mit zunehmender Unterkühlung vom Lattenmartensit - in niedrig leg. Stählen mit C> 0,4% beide gemeinsam - Platten unterteilen Austenikorn in Bereiche, dazwischen bleibt Restaustenit zurück - Anpassung Restaustenit- Martensit: Versetzungen und Zwillinge (typ.)  
• Was ist Bainit? ein Zwischenstufengefüge- zwischen Perlit und Martensit keine charakteristische Gefügeform
• Wann wird Bainit gebildet? wenn Abkühlgeschwindigkeit nicht für Bildung homogenes Martensit reicht wenn kein feinstreifges Perlit mehr gebildet wird
• Wie ist die Morphologie v. Bainit? durch Diff. enstehen C-arme Bereiche im Austenit, die zu Martensit umwandeln Aus Martensit werden Karbide ausgeschieden - obere Bainit: C-armer Lattenmartensit-> C reichert sich zw. Lattean und bildetKarbid -unterer Bainit: Plattenmartensit, der Karbide innerhalb des Martensit ausscheidet
• Was geschieht mit den Gefügebestandteilen bei der Martensitbildung? unterschiedliches Volumen durch die unterschiedlcihen Packungsdichten und C-Gehalten Volumenzunahme durch Martensitbildung 5% -> aber stabilisiert Austenit
• Packungsdichten? kubisch: 52% krz: 68% kfz, hexagonal: 74% PD= VA/VEZ
• Was ist das isotherme ZTU? ZTU: Zeit-Temperatur-Umwandlung isotherm: bei konst. Temp - Zusammenhang zwischen der Haltetemperatur und der Haltedauer und dem Ablauf der Austenitumwandlung beschrieben - Austenitisierungstemperatur gebrachten Proben werden schnell auf eine bestimmte Temperatur abgeschreckt und anschließend über einen längeren Zeitraum bei dieser Temperatur gehalten - Umwandlung des Austenits beginnt erst nach  gewisser Verzögerung, die von der Temperatur abhängig - Verzögerung, Anlaufzeit genannt, nimmt mit zunehmender Unterkühlung zuerst ab und nach Erreichen eines Minimums wieder zu - isotherme ZTU-Schaubild entlang Haltetemperatur gelesen -  dargestellten Zahlenwerte in den Feldern mit Gefügebezeichnungen geben die %-Anteile der verschiedenen Gefüge wieder - Werte am Ende der Abkühlkurven sind die zu erwartende Härte in HV des bei dieser Abkühlung entstandenen Gefüges - Hauptanwendungsgebiet eines isothermen Schaubilds ist die gezielte Umwandlung zu einem bestimmten Gefüge
• Wie enstehen die Nasen im ZTU? zunehmender Abstand zur Gleichgewichtstemp.-> Instabilität Austenit nimmt zu -> Diff.geschwindigkeit C nimmt ab Umwandlung abhängig v. Diff und die abhängig von Temp.
• Was ist das kontinuierliche ZTU? Umwandlungsvorgänge bei versch. Abkühlgeschwindigkeiten - Zusammenhang zwischen der Abkühlungsgeschwindigkeit (-zeit) und dem Ablauf der Austenitumwandlung . - Austenitisierungstemperatur gebrachten Proben werden mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abgekühlt - Umwandlung des Austenits  erst nach einer gewissen Verzögerung, die von der Temperatur abhängig ist -  kontinuierlichen Schaubildern  in der Praxis eine größere Bedeutung zu als den isothermen Schaubildern, da die meisten Wärmebehandlungen mit einer kontinuierlichen Abkühlung erfolgen
• Welche Wärmebehandlungen gibt es? Weich-, Normalglühen, Härten, Anlassen, Vergüten
• Erklärung Weichglühen! - Glühverfahren nahe GG - T dicht unterhalb 723°C oder knapp drüber - auf Glühtemp., im Ofen auf 600°C abkühlen, dann an Luft - Ziel: weicher Zustand - Prinzip: Umwandlung Zementitlamellen d. Perlit in kugelige Form-> körniges Zementit - körniges Zementit: gut bearbeitbar und verformbar: Stauchen,Pressen, Ziehen
• Erklärung Normalglühen! - Glühverfahren nahe GG - T oberhalb 911°C (Austenitbereich) - Abkühlung an ruhender Luft -Bildung feinkörniges gleichmäßiges Gefüge - Kornverfeinung, dadoppelte Umwandlung v. Austenit-> Perlit -je höher Geschwindigkeit, destio feinkörniger-> aber in Perlitstufe -beseitigt grobkörniges Gefüge - untereutektoid: Perlit+Ferrit -übereutektoid: Perli+ Zementit
• Erklärung Härten! - gleichgewichstferne Glühbehandlung - T obehalb Umwandlungspkt. 911° uns 723°C -erhebliche Geschwindigkeit - Abschrechmittel: Luft, Öl, Wasser - Ziel: hohe Härte - Härtegrad abhängig von C- Gehalt- -genaue Einhaltung v. Temp. und Haltezeit nötig - günstige Härtewerte durch Härten im Martensitbereich - Ferrit ist Folge von niedr. Temp. o. langs. Abkühlung-> Kornvergröberung - Ferrit, Perlit, Bainit: verringern Härte und Zähigkeit
• Erklärung Anlassen! - Gleichgewichstferne Glühbehandlung - dem vorausgegangen: Härten,Kaltverformen, Schweißen - T zw RT und 723°C,halten - verbessert Zähigkeit -niedrige T: C- Atome auf günstige Zwischengitterplätze-> geringe Verringerung der Härte, Zunahme Zähigkeit - Neigung Spannungsrisse nimmt ab
• Erklärung Vergüten! - gleichgewichtsferne Glühbehandlung - Härten + Anlassen b. hohen Temp. - Ziel: hohe Zähigkeit b. best. Zugfestigkeit - Härte und Zugfestigkeit nimmt ab,aber noch über Ausgangszustand
• Bei welchen Temperaturen erfolgen die Umwandlung von Delta-Eisen in Austenit und Austenit in Ferrit? Welche Schmelztemp. hat Eisen? δ-Eisen in Austenit-> 1392°C Austenit in Ferrit 911°C Curie Temp. 770°C Umwandlung von para- in ferromagn. Schmelzt. Eisen 1536°C
• Welche Eisenbegleiter kennen Sie,die i ein Fe-C mit eingebaut sind? Phosphor Schwefel Stickstoff Wasserstoff Sauerstoff Mangan
• In welchen Leg. findet man Eisenbegleiter? Eisenbasisleg. mit mehr als 50% Fe
• Nenne einige chem. Verbindungen und einige Gangarten der Eisenherstellung! Fe3O4,FeCO3, FeS2 : chem. Verbindungen SiO2, CaO, MgO P2O3
• Eisenbegleiter Phosphor? bildet mit Fe drei intermetallische Phasen engt Austnit Gebiet ein in Fe nahezu unlöslich große Differenz zw. Liquidus- u. Soliduslinie P- Seigerungen Sekundärgefüge: (Widmannstättsches Gefüge) 0,25% C -> grobes Korn, grobe Ferritnadeln Primärgefüge: 0,25% C-> P-Seigerungen in Restfelder,zwischen Dendriten (Oberhoffer- Ätzung)
• Wie ensteht Phosphor als Eisenbegleiter? Erstarrung: Gase werden frei-> steigen durch Schmelze auf Temp. zu schnell sinkt: Gasblasen in breiiger Schmelze stecken bleibend mit Temp. sinkend: Druck in Gasblase abnehmend-> ansaugen v. phosphorreicher Schmelze - Seigerungen entstehen -wenn Blase bei Warmummformung schlecht verschweißt-> Risse - innere Spannungen und inhomogene Eigenschaften -> Rissbildung
• Eisenbegleiter Schwefel! - Fe bildet mit FeS niedrigschmelzendes Eutektikum 985°C - Ferrit löst fast kein FeS - geringe Schwefelkonz. -> FeS in Stahl
• Enstehung Schwefel Eisenbegleiter? niedrigschmelzende Phase auf Korngrenze führt in Schmiedehitze zum Aufbrechen d. Korngrenzen - Umformen zw. 1000°C -1200°C-> Zugabe Mn
• Wann entstehen Rotbrüche und Heißbrüche im Fe-C mit S? Wie können diese verhindert werden? Rotbrüche: 800 <T<1000°C Heißbrüche: T> 1200 °C Mangan verhindert Brüche-> Bildung hochschmelzendes MnS-> MnS als primär ausgeschiedener Kristall in Schmelze und Gefüge regellos verteilt
• Vorteile MnS? gut umformbar liegt in gewalzten o. geschmiedeten Werkstücken i.A. in gestreckter Form vor voreutektoider Ferrit kristallisiert an Sulfid-> Ferit-Perlit-Entmischung
• Eisenbegleiter Stickstoff? Ferrit löst geringe Mengen N (RT 10-5%) Fe4N Nitride werden ausgeschieden Alterung durch Anlagerung des N an Versetzungen (Hochfest,aber spröde)
• Wie kann man die Alterung von Stahl durch den Stickstoff vermeiden? Abbinden des N durch Zugabe von Vanadium o. Al- AlN
• Welche Auswirkungen kann Stickstoff in Stahl haben? - bei geringer Verformung Lüdersche Linien-> Entwicklung durch Frysche Ätzmittel - Alterung= Spannungsrisskorrosion  
• Was sind Frysche Kraftwirkungsfiguren? in Stählen,die nicht mit Al überdesoxidiert wurden und über Streckgrenze belastet wurden
• Eisenbegleiter Wasserstoff? - geringe Löslichkeit v. H in Fe - hohe Diff.geschwindigkeit - H lagert an Versetzungen an und rekombiniert - schnelle Abkühlung: H entweicht nicht-> Aufreißen Stahl "Flockenrisse"
• Eisenbegleiter Sauerstoff? - O in Fe nahezu unlöslich - Fe bildet mit O d. Phase FeO (instabil), Fe2O, Fe3O4 - beim Vergießen v. Stahl führt O-Aufnahme zu Entwicklung von CO - Vermeidung: Zusatz von Si oder Al -> Beruhigen des Stahls -FeO macht Stahl rotbrüchig-> daher Zusatz Mn - verbarnnter Stahl: Oxideinwanderung an Korngrenze durch zu hohe Verarbeitungstemp.
• Wie lassen sich Einschlüsseim Stahl indentifizieren? - Größe, Form, Farbe, Härte Einschluss - Wirkung v. Ätzmitteln auf Einschluss - Vergleich mit Richtreihen
• Was sind zulässige Gehalte von Stählen an Eisenbegleitern? Edelstahl: P,S < 0,035% -> höher: Versprödung, Zunahme Rissbildung Massenstähle: P,S< 0,06% (obere Grenze) Automatenstähle: P<0,1%; S<0,3%; N2<0,03% (wenn N nicht gezielt zur Stabilisierung v. Austenit eingesetzt) - DIN, EN

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