Kapitel 4 Flashcards
Erläutern Sie die Polymorphie des Eisens
Einige Metalle, so auch Eisen, können ihre Gitterstruktur durch äußere thermodynamische Einflüsse wie Druck und Temperatur ändern. Eisen ist bei Raumtemperatur kubisch-raumzentriert. Ab einer Temperatur von 911°C ist Eisen dann kubisch-flächenzentriert. Ab einer Temperatur von 1392°C geht Eisen wieder in die kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur über, bevor bei 1536°C die Schmelztemperatur erreicht ist und sich die Gitterstruktur auflöst.
Beschreiben Sie Struktur und Eigenschaften des alpha, beta, gamma, delta, epsilon-Eisens
Das alpha-Eisen (auch Ferrit genannt) ist krz und liegt unterhalb 911°C vor. Zwischen 766°C und 911°C heißt die Modifikation beta-Eisen. Diese unterscheidet sich lediglich durch Paramagnetismus von alpha-Eisen. Von 911°C bis 1392°C liegt Eisen in der kfz-Gitterstruktur vor und wird gamma-Eisen oder Austenit genannt. Bei weiter ansteigender Temperatur entsteht delta-Eisen mit krz-Gitter. epsilon-Eisen, oder auch Hexaferrum, liegt als hexagonal-dichteste Packung (hdP) Gitterstruktur vor und ist nur bei extrem hohen Drücken jenseits 110kbar stabil.
Was ist Perlit?
Perlit ist ein eutektoider Gefügebestandteil des Stahles. Das Phasengemisch aus Ferrit (also alpha-Eisen) und Zementit (also Fe3C), tritt bei Kohlenstoffgehalten zwischen 0,02 und 6,67 Masse-% auf. Der eutektoide Punkt liegt bei 723°C und 0,8 Masse-% Kohlenstoff. Bis 4,3 Masse-% Kohlenstoff liegt Perlit als separater Gefügebestandteil vor, oberhalb von 4,3% ist er Teil des Ledeburits 2 (Perlit + Sekundärzementit).
Beschreiben Sie die Perlitbildung und nennen Sie Merkmale der eutektoiden Reaktion im Fe-Fe3C-Diagramm
Bei der Bildung von Perlit verarmt das Gefüge lokal an Kohlenstoff, während sich die Nachbargebiete durch Diffusion immer weiter an Kohlenstoff anreichern. Dadurch entsteht die typische Lamellenstruktur. Stellt sich in der kohlenstoffarmen Lamelle ein C-Gehalt von weniger als 0,02% ein, klappt die Lamelle in alpha-Eisen um. Die kohlenstoffreiche Lamelle steigt bis zu 6,67 Masse-% Kohlenstoff an und wird zu Zementit.
Nennen Sie die Keimstellen für Perlitbildung bei untereutektoiden, eutektoiden und übereutektoiden Stählen
Keimbildung an Phasen- und Korngrenzen.
Bei untereutektoiden Stählen: Keimbildung an alpha- / gamma-Phasengrenzen und gamma-Korngrenzen
Bei eutektoiden Stählen: Keimbildung an gamma-KG
Bei übereutektoiden Stählen: Keimbildung an gamma- / Fe3C-Phasengrenzen und gamma-KG
Beschreiben Sie die Perlitformen in Abhängigkeit der Abkühlgeschwindigkeit
Bei langsamer Abkühlung gehorcht das Fe-Fe3C Diagramm den GGW-Linien. Beschleunigt man die Abkühlgeschwindigkeit, so gelten die GGW-Linien nicht mehr, sondern werden durch quasi-GGW-Linien bei tieferen Temperaturen und der Aufspaltung des Perlitpunktes in einen Perlitbereich umgewandelt. Dadurch ist es möglich auch unter- und übereutektoidischen Stahl rein perlitisch umzuwandeln. Das Perlit wird feinlamellarer. Steigt die Abkühlgeschwindigkeit auf einen Wert größer als die Diffusionsgeschwindigkeit von Kohlenstoff, so bildet sich Martensit (anstelle von Perlit).
Was ist Bainit und wann entsteht er?
Bainit ist ein Zwischengefüge, das bei der Wärmebehandlung von kohlenstoffhaltigen Stählen entstehen kann. Es bildet sich bei Temperaturen zwischen denen für die Perlit- und Martensitbildung. Umklappvorgänge in Kristallgitter und Diffusionsvorgänge sind gekoppelt, dadurch werden verschiedene Umwandlungsmechanismen verfügbar. Bainit besteht, wie Perlit, aus den Phasen Ferrit und Zementit, unterscheidet sich aber in Form, Größe und Verteilung. Erscheinungsformen sind der obere Bainit (körnig) und der untere Bainit (fein).
Beschreiben Sie den Unterschied zwischen oberem und unterem Bainit
Beim oberen Bainit sind die Zementitausscheidungen zwischen den Ferritplatten, beim unteren Bainit sind die Ausscheidungen innerhalb der Ferritplatten.
Was ist martensitische Umwandlung? Nennen Sie Merkmale der Transformation.
Martensitische Umwandlung ist eine Phasenumstrukturierung, die durch rasches Abkühlen unterhalb der kritischen Ms Temperatur völlig diffusionslos abläuft und bei der sich die Atome des Metallgitters kooperativ bewegen, wobei sich die Nachbarschaften nur hinsichtlich der Anordnung verändern. Eine Folge der kooperativen Atombewegungen ist, dass der umgewandelte Kristallbereich seine äußere Form ändern, was entsprechende Spannungen zur Folge hat, die einer weiteren Umwandlung entgegen wirken. Von der Bewegung der Atome her gesehen entspricht die martensitische Umwandlung einer homogenen Scherung.
Beschreiben Sie den Aufbau von thermisch induziertem Martensit in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt des Stahles
Unter 0,4 - 0,5 Masse-% Kohlenstoff tritt Massivmartensit auf. Pakete paralleler Latten mit < 0,5 mikro-Meter Plattendicke, Versetzungsdichte ca. 10^11 bis 10^12 cm^-2, Versetzungsanordnung in Knäueln.
Zwischen 0,5 - 1 Masse-% Kohlenstoff: Mischmartensit mit hoher Versetzungsdichte an Massivmartensit und Plattenmartensit, welches stark verzwillingt ist.
Zwischen 1 - 1,9 Masse-% Kohlenstoff: Plattenmartensit. Willkürlich angeordnete, linsenförmige Martensitplatten und Restaustenit innerhalb ehemaliger Austenitkörner. Platten sind verzwillingt mit Zwillingsebenen.
Welche Austenitisierungstemperaturen werden für unlegierte Stähle verwendet und warum?
Wahl der Austenitisierungstemperatur TA:
Untereutektoide Stähle: 30-50°C über GS (der Temperatur AC3 im Diagramm)
Übereutektoide Stähle: ~50°C über SK (der Temperatur AC1 im Diagramm)
WARUM?
Ordnen Sie die Mikrostruktur der Stähle vor und nach dem Härten dem Kohlenstoffgehalt zu
Folie 4-21
Vor dem Härten:
0 - 0,8 Masse-% Kohlenstoff: Austenit (gamma-MK)
ab 0,8 Masse-% Kohlenstoff: Austenit + Zementit
Nach dem Härten:
0 - 0,5 Masse-% Kohlenstoff: Martensit
0,5 - 0,8 Masse-% Kohlenstoff: Martensit + Restaustenit
ab 0,8 Masse-% Kohlenstoff: Martensit + Restaustenit + Zementit
Warum besitzen unlegierte Stähle mit einem C-Gehalt > 0,5 Masse-Prozent nach dem martensitischen Härten Restaustenit (RA)?
Stähle mit einem C-Gehalt von über 0,5% erhalten beim Härten durch Abschrecken bis auf Raumtemperatur kein vollständiges Martensitgefüge. Die martensitische Umwandlung erfolgt erst bei tieferen Temperaturen zur Gänze. Der bei Raumtemperatur noch nicht umgewandelte Anteil an Austenit wird als Restaustenit bezeichnet.
Wie sind Ms und Mf-Temperaturen definiert?
Martensit entsteht durch einen diffusionslosen Umklappvorgang aus dem kfz-Gitter eine hexagonal-dichteste-Packung-Gitter (hdP). Während der raschen Abkühlung auf eine Temepratur unterhalb der Martensitstarttemperatur Ms. Die Umwandlung hört auf, wenn die Abkühlung gestoppt wird. Bei Erreichen von Mf, also der Martensitfinishtemperatur, vergrößert sich mit weiterer Abkühlung der Volumenanteil des Martensit nicht weiter. Näherung für Ms ist ~ (550 - 350 * Masse-% Kohlenstoff ) in °C
Wie wirkt sich RA auf die Härte des Stahles aus?
Restaustenit ist meist unerwünscht, da er weicher als Martensit ist und soäter durch Druck und / oder Reibung in Martensit umgewandelt werden kann. Diese Umwandlung ist mit einer Volumenzunahme verbunden, was bei einem eingebauten Bauteil zu Spannungen, Maßänderungen oder Rissen führen kann. Dadurch verringert sich die Härte des Stahls durch RA.
