3 Die Legierung Eisen

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3 Die Legierung Eisen-Kohlenstoff
3.1 Abkühlkurve und Kristallarten des Reineisens
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Nennen Sie Dichte und Schmelztemperatur von Reineisen.
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Bei der Aufheizung und Abkühlung ändert Reineisen bei zwei Temperaturen die
Kristallstruktur. Welche Temperaturen sind es, und welche Phasenumwandlungen finden
bei diesen Temperaturen statt?
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Auch bei 769 °C findet in Eisen eine Phasenumwandlung statt. Wie nennt man diese, und
was passiert dabei?
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Skizzieren Sie die Elementarzellen der beiden Kristallgitter des Eisens und schreiben Sie
die metallographischen Bezeichnungen dazu.
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δ- und α-Eisen haben ein kubisch-.............. Kristallgitter. Sie unterscheiden sich nur
durch ................................
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Warum unterscheidet sich die Gitterkonstante von δ- und α-Eisen?
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Bewerten Sie die Kaltformbarkeit des γ- und des α-Eisens mit niedrig, hoch oder sehr
hoch (Begründung).
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Welche Art von Mischkristallen kann Kohlenstoff mit dem Eisen bilden (Begründung)?
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Vergleichen Sie die beiden Kristallgitter des Eisens auf die Größe ihrer Zwischengitteratome (kleine Kugeln im Bild), und folgern Sie daraus das Lösungsvermögen für Kohlenstoff:
a) Welches Kristallgitter hat das größere Lösungsvermögen?
b) Berechnen Sie mithilfe des Bildes die Durchmesser der Einlagerungsatome in den
Zwischengitterplätzen, d = f (D). Dabei wird angenommen, dass im krz. Gitter sich die
Kugeln in Richtung der Raumdiagonalen berühren und im kfz. Gitter in der Flächendiagonalen.
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Welches maximale Lösungsvermögen haben Ferrit und Austenit für Kohlenstoff?
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Von welcher physikalischen Größe hängt das Lösungsvermögen des Austenits für
Kohlenstoff ab? Geben Sie die beiden Werte an, die mit dem niedrigsten C-Gehalt des
Austenits verknüpft sind.
3 Die Legierung Eisen-Kohlenstoff
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Wie verhält es sich mit den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Ferrit und Austenit?
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Wie wirkt sich der plötzliche Übergang der Atome von einer dichteren in eine weniger
dichte Packung auf die Länge eines Metallstabes aus?
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Wie heißt die messtechnische Ausnutzung der plötzlichen Längenänderung eines Stabes
bei der Gitterumwandlung?
15 Wie müsste die schematische Kurve der
Längenänderung = f (Temperatur)
für eine gedachte Legierung aussehen?
(Sie besitzt bei niedriger Temperatur ein kfz.
Gitter, bei höherer Temperatur ein krz. Gitter)
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Welche Auswirkung hat der Volumensprung
bei der Abkühlung von Werkstücken mit unterschiedlichen Querschnitten?
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Wie wird die Temperatur genannt, oberhalb derer Eisen bzw. ein Stahl vollständig austenitisch ist?
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Welche Auswirkung hat der Volumensprung auf ein Blech aus unlegiertem Stahl mit
Oxidschicht, das ständig über Ac3 erwärmt und wieder abgekühlt wird, wie z. B. Bleche
von Kästen, in denen Werkstücke aufgekohlt (eingesetzt) werden?
3.2 Erstarrungsformen
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Wie verändern Kohlenstoff die Liquidustemperatur von Eisen?
2
Auf welche Weise gelangt der Kohlenstoff ursprünglich in das Eisen?
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Nennen Sie die beiden Erstarrungsformen des Legierungssystems Eisen-Kohlenstoff.
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Geben Sie für beide Systeme die Phasen bei Raumtemperatur und ihre metallographische
Bezeichnung an.
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Warum können beim System Fe-C zwei Erstarrungsformen entstehen?
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Nachstehend sind technologische Maßnahmen angeführt, welche die Erstarrungsform
beeinflussen. Ordnen Sie diese den beiden Begriffen „stabil“ und „metastabil“ zu.
a) schnelle Abkühlung,
b) geringer C-Gehalt,
c) langsame Abkühlung,
Maßnahme
a
d) hoher C-Gehalt,
e) Mn als Legierungselement,
f) Si als Legierungselement,
b
c
d
e
f
stabil
ankreuzen.
metastabil
g) Begründen Sie die Punkte a) und b) Ihrer Entscheidung.
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Erstarren die Legierungen jeweils nur rein stabil oder rein metastabil, oder sind Überlagerungen beider Systeme in einem Gefüge denkbar? Durch welche Maßnahmen kann
das eventuell erreicht werden?
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3 Die Legierung Eisen-Kohlenstoff
3.1 Abkühlkurve und Kristallarten des Reineisens
1
Dichte ρ = 7,86 g/cm3, Schmelztemperatur Tm = 1536 °C.
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911 °C, α/γ-Umwandlung; 1392 °C, γ/δ-Umwandlung.
3
Curie-Temperatur, bei Aufheizung verliert Eisen bei dieser Temperatur seine ferromagnetischen Eigenschaften, d.h. oberhalb der Curietemperatur ist Eisen nicht dauerhaft
magnetisierbar.
4
5
δ- und α-Eisen haben ein kubisch-raumzentriertes Kristallgitter. Sie unterscheiden sich
nur durch den Temperaturbereich, in dem sie existieren.
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Auf Grund der Wärmeausdehnung ist die Gitterkonstante von δ-Eisen größer als die von
und α-Eisen.
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Austenit (γ-Eisen) sehr hoch, da es ein kfz-Gitter hat. Ferrit (α-Eisen) hoch, da es noch
ein kubisches Gitter hat (krz).
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Einlagerungsmischkristalle, da der Atomdurchmesser des Kohlenstoffs wesentlich kleiner als der der Fe-Atome ist.
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a) kfz. Gitter, γ-Eisen, Austenit
b) für das kfz. Gitter: Flächendiagonale =
a 2 =
D=
Gitterkonstante d =
d =
für das krz. Gitter: Raumdiagonale =
a 3 =
2 halbe und 1 ganzer Kugel-∅
2D
a 2 2 = 0, 2578 nm
a − D = 0,1068 nm
0, 4142D
2 halbe und 1 ganzer Kugel-∅
2D
D = a 2 3 = 0, 2515 nm
Gitterkonstante d = 0,155D
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Austenit: 2 % bei 1147 °C; Ferrit: 0,02 % bei 723 °C.
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Von der Temperatur; bei niedrigen Temperaturen weniger: bei 723 °C noch 0,8 %.
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Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Austenit ist ca. 50 % größer als der von Ferrit.
3 Die Legierung Eisen-Kohlenstoff
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Der Stab wird dabei sprungartig länger.
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Dilatometermessung, -kurve.
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Dünnere Querschnitte eines Werkstückes kühlen schneller ab als dickere. Damit findet
der Volumensprung in verschiedenen Querschnitten nicht gleichzeitig statt. An den
Übergangsstellen entstehen Spannungen.
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A3 bzw. Ac3 (c steht für „chauffage“ = „Aufheizen“).
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Die Oxidschicht besitzt ein anderes Kristallgitter als das Eisen ohne Umwandlung und
Volumensprung. Die Folge sind Schubspannungen zwischen Schicht und Grundwerkstoff. Dadurch platzt die Zunderschicht ab und neue schnelle Oxidation wird möglich:
Verzunderung.
3.2 Erstarrungsformen
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Die Liquidustemperatur von Eisen wird durch Kohlenstoff bis auf 1053 °C bei 4,3 %
Kohlenstoff abgesenkt.
2
Beim Hochofenprozess durch die Aufkohlung beim Kontakt mit CO-Gas oder glühendem Koks.
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Stabiles und metastabiles System.
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stabiles System: α-Eisenkristalle (Ferrit) und C-Kristalle (Graphit),
metastabiles System: α-Eisenkristalle (Ferrit) und Fe3C-Kristalle (Zementit).
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Die Systeme Eisen-Zementit und Eisen-Graphit haben ähnliche chemische Stabilität,
wobei das System Eisen-Graphit etwas stabiler ist. Da es bei der Bildung von Graphit zu
einer fast vollständigen Trennung von Eisen und Kohlenstoff kommen muss, ist die
Bildung von Graphit bei der Erstarrung häufig langsamer, und dann wird die Bildung
von Zementit möglich.
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Maßnahme
stabil
metastabil
a
b
x
x
c
x
d
x
e
f
x
x
g) Schnelle Abkühlung und kleiner C-Gehalt erschweren das Entstehen von Kristallisationskeimen des Graphits. Wegen der Verteilung von C-Atomen im Eisen ist für Fe3CKeime eine größere Wahrscheinlichkeit vorhanden.
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Überlagerungen sind möglich. Bei ungleichen Wanddicken ist die Abkühlungsgeschwindigkeit verschieden; sie lässt sich auch steuern, z. B. durch Abschrecken der Randzone in
wärmeleitenden Formen: Schalenhartguss.