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Werkstoffe und Fertigung II, FS 2016Prof. Dr. K. Wegener

Seminarübung 11ZTU, Teilchenhärtung, Härte

1 Theorie: Wärmebehandlung

1.1 Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild (ZTU)

Das ZTU-Schaubild ist ein Diagramm, in dem die Phasen- bzw. Umwandlungsgrenzen eingetragensind und mit Abkühlungskurven verglichen werden. Es soll erklärt werden, weshalb das ZTU-Diagramm eine nasenähnliche Form hat.Als Erstes wird die Kinetik der Umwandlung betrachtet. Mit stärkerer Unterkühlung nimmt dasUmwandlungsbestreben zu (Triebkraft). Und als Zweites nimmt die Diffusionsgeschwindigkeitmit sinkender Temperatur ab (Mobilität der Atome). Dies ist im folgenden Diagramm (Fig. 1.1)ersichtlich.

Umwandlungsgeschwindigkeit = Triebkraft (∆G)×Mobilität der Atome (D)

Abbildung 1.1: Grafische Darstellung der Nasenbedingung

Nasenbedingung: Es ist eine grosse Keimzahl (grosses ∆G, starke Unterkühlung) und eine hin-reichend grosse Diffusionsgeschwindigkeit (grosser Diffusionskoeffizient, hohe Temperatur) not-wendig. Eine solche Nase im ZTU-Diagramm geht einher mit einer schnellen Umwandlung(logarithmische Skala).

Isothermes ZTU-Schaubild: Der Umwandlungsablauf im unterkühlten Austenit wird bei kon-stanter Temperatur bestimmt. Die Probe wird durch Abschrecken von der Austenitisierung-stemperatur auf die Untersuchungstemperatur gebracht und bei dieser gehalten, während

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die Umwandlung läuft.Das isotherme ZTU-Schaubild darf nur entlang einer Temperaturhorizontalen gelesen werden.Das Temperatur-Zeit-Diagramm in Abb. 1.1 ist ein isothermes ZTU-Schaubild.

Kontinuierliches ZTU-Schaubild: In der Praxis sind besonders kontinuierliche Abkühlungen rea-listisch. Die Mengen der in den einzelnen Umwandlungsbereichen gebildeten Gefügebe-standteile sind an den Schnittpunkten der Abkühlungskurven mit der unteren Grenze desjeweiligen durchlaufenen Bereiches in Prozent angeschrieben. Die Härte ist am Kurvenendeangegeben. Werden zusätzliche Legierungselemente zugegeben, verschiebt sich das ZTU-Diagramm nach rechts unten und das Bauteil kann trotz tieferer Abkühlgeschwindigkeitimmer noch gehärtet werden (Fig. 1.2).Das kontinuierliche ZTU-Schaubild ist nur entlang einer Abkühlungskurve zu lesen.

t8/5-Zeit: Zeit für die Abkühlung von 800◦C auf 500◦C

Abbildung 1.2: Legiertes und unlegierteskontinuierliches ZTU-Diagramm

• Die untere kritische Abkühlungs-geschwindigkeit entspricht amehesten der Kurve 5.

• Die obere kritische Abkühlungs-geschwindigkeit entspricht amehesten der Kurve 2.

1.2 Wärmebehandlung der Oberflächen

Durch eine solche Behandlung lassen sich Gefügeverteilungen erzeugen, die an der Oberflä-che des Werkstücks für Härte und Festigkeit (Verschleiss- und Ermüdungsfestigkeit) sorgen.Der Kern bleibt weich und duktil und sorgt für ausreichende Bruchzähigkeit und Schlagresis-tenz.

Ohne Legierungsänderung: Bei Stählen mit mittlerem C-Gehalt kommt das selektive Erwärmender Oberfläche zur Anwendung. Durch das Abschrecken bildet sich an der Oberfläche Marten-sit. Um die Oberfläche zu erwärmen, werden unter anderem Gasbrenner, Induktionsspulenoder Laser verwendet. So können diejenigen Bereiche selektiv gehärtet werden, die einerhohen Verschleissbeanspruchung unterliegen.

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Mit Legierungsänderung: Der kohlenstoffarme Stahl wird in einer C-reichen Atmosphäre erhitzt.Durch Diffusionsvorgänge und wegen der guten Löslichkeit von Kohlenstoff in Austenit stelltsich in der Oberfläche ein hoher C-Gehalt ein. Nach dem Abschrecken und Anlassen liegt ander Oberfläche kohlenstoffreicher Martensit vor. Dieser ganze Vorgang wird Einsatzhärtengenannt (Aufkohlen, Härten und Anlassen). Geeignete Legierungselemente sind:

• Kohlenstoff→ Aufkohlen

• Stickstoff→ Nitrieren

• Bor→ Borieren

1.3 Ausscheidungs- oder Teilchenhärtung

Grundprinzip: In einer Legierung mit zwei Komponenten A und B können Teilchen des Misch-kristalls β innerhalb der Mischkristalle α eine Steigerung der Festigkeit bewirken. Teilchen stellen,sofern sie fester sind als die Matrix, Hindernisse für die Wanderung von Versetzungen dar. Un-ter genügend starken Schubspannungen können Versetzungen Teilchen vor dem Erreichen deskritischen Radius durchschneiden. Danach werden noch grössere Teilchen von Versetzungen um-gangen. Diese zwei Prozesse sind in Abb. 1.3 ersichtlich.

Unterschied zur Martensitbildung: Um Martensit zu erzeugen, musste das Werkstück austenitisiertwerden, das heisst der Zustandspunkt des Werkstücks befand sich über der Eutektoiden im reinenAustenitgebiet. Anschliessend wandelte sich das komplette Gefüge spontan in ein anderes Gefügeum. In der Teilchenhärtung wird mit der sich verändernden Löslichkeit einer Phase gearbeitet, dasheisst es liegt keine komplette Gefügeumwandlung vor.

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Abbildung 1.3: Umgehen undSchneiden von Hindernissen

Abbildung 1.4: Zeit-Temperatur-Folgebeim Ausscheidungshärten

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Vorgehen: Abb. 1.4 und Abb. 1.5

1. Lösungsglühen (Homogenisieren): Halten im Gebiet des homogenen Mischkristalls (alles Bwird im α-MK gelöst).

2. Abschrecken: Auf eine Temperatur < 0.3 TS, um thermisch aktivierte Vorgänge (Diffusion)zu vermeiden, es soll kein β-MK entstehen.

3. Auslagern (Altern): Halten bei einer Temperatur (ca 0.5 TS) im Zweiphasengebiet, damitthermisch aktivierte Vorgänge kontrolliert ablaufen (β-MK kristallisiert aus), es soll eine guteKombination aus möglichst vielen und optimal grossen Teilchen erreicht werden.

Abbildung 1.5: Vorgänge beim Ausscheidungshärten

Der Ausscheidungsvorgang ist ein Keimbildungsvorgang (heterogen an Gitterdefekten begin-nend), wie er im Kapitel der Erstarrung kennen gelernt wurde. Die durch das Abschrecken erzieltehöhere Leerstellenkonzentration erleichtert die Diffusion und damit die Keimbildung. Auf eineKeimbildung folgt das Wachstum der Keime aus dem übersättigten Mischkristall bis zur Gleichge-wichtszusammensetzung (nach dem Gesetz dT ∼

√t). Zum Schluss vergröbern sich die Teilchen

zur Verringerung der Oberflächenenergie. Diese erfolgt langsamer nach einem veränderten Zeitge-setz (Ostwaldreifung, dT ∼ 3

√t). Dabei werden die umgebenden Teilchen aufgezehrt und somit

die Teilchenabstände vergrössert. Die Festigkeit sinkt, da der Streckgrenzenzuwachs umgekehrtproportional zum Teilchenabstand ist (∆σT ∼ 1/DT).

1.4 Härte

Definition: Härte ist der Widerstand, den ein Werkstoff dem Eindringen eines Prüfkörpers auseinem härteren Werkstoff entgegensetzt.Die Härteprüfung ist ein technisches Prüfverfahren, d.h. sie liefert keine eindeutig physikalischdefinierbare Werkstoffeigenschaft. Damit sind Härteprüfverfahren nur sinnvoll, wenn sie durch

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Normung vergleichbar gemacht werden. In der Vergangenheit wurden verschiedenste Prüfver-fahren entwickelt, von denen sich die Messungen nach Brinell, Vickers und Rockwell in derHärtemessung von Metallen durchgesetzt haben.

1.4.1 Brinellhärte

Zur Ermittlung der Brinellhärte wird eine gehärtete Stahlkugel oder eine Wolframcarbidkugel einesbestimmten Durchmessers D mit definierter Prüfkraft F für eine Zeitdauer von mindestens 10 sin die Probe gedrückt. Danach wird der mittlere Durchmesser d des in der Oberfläche der Probehinterlassenen Abdrucks ausgemessen. Die Brinellhärte ergibt sich als Kraft pro Abdruckoberflä-che:

HB =0.102 · F

A=

0.0203 · Fπ · D(D−

√D2 − d2)

Da der Eindruckdurchmesser sich zwischen bestimmten Werten befinden muss, wird die Prüflastüber den Werkstoff spezifischen Belastungsgrad (aus Tabellen) je nach Kugeldurchmesser einge-stellt.

B =0.102 · F

D2

Eine korrekte Angabe der Brinellhärte enthält nicht nur den Härtewert sondern verschlüsselt diePrüfbedingungen wie Kugeldurchmesser, Prüfkraft und Belastungsgrad.

Beispiel: 275 HBW 2.5/187.5/20 bedeutet Brinellhärte 275, Kugel aus Hartmetall (W), Kugel-durchmesser 2.5 mm, Prüfkraft 1840 N (= 187.5 kp; 1 kp = 9.81 N), Einwirkdauer 20 s.Aufgrund der begrenzten Festigkeit des Prüfkörpers ist die Brinellhärte auf weiche bis mittelharteWerkstoffe begrenzt.

1.4.2 Vickershärte

Zur Ermittlung der Vickershärte wird eine Diamantpyramide mit einem Öffnungswinkel von136◦ mit definierter Prüfkraft F für eine Zeitdauer von mindestens 10 s in die Probe gedrückt.Danach wird die mittlere Diagonale d des in der Oberfläche der Probe hinterlassenen Abdrucksausgemessen (Fig. 1.6).Beispiel: 210 HV50/30 bedeutet Härte Vickers 210, Prüfkraft 490 N (50 kp, Kilopond, 1 kp = 9.806 N,Ein Kilopond ist die Kraft, die durch die Schwerebeschleunigung an der Erdoberfläche auf eineMasse von einem Kilogramm ausgeübt wird,veraltete Einheit), Einwirkdauer 30 s.Das Prüfverfahren nach Vickers ist das universellste Verfahren, es ermöglicht die Messung vonweichen und extrem harten Werkstoffen.

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Abbildung 1.6: Diamantpyramide undhinterlassener Abdruck

d =d1 + d2

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HV =0.102 · F

A=

0.204 · sin(68◦) · Fd2

1.4.3 Rockwellhärte

Bei der Härteprüfung nach Rockwell wird nicht die Abdruckfläche gemessen, sondern die Ein-dringtiefe. Die Rockwellmessung ist besonders zeitsparend und für die Serienprüfung geeignet.Als Eindringkörper wird für die weiche Materialien eine Stahlkugel verwendet (HRB und HRF) beihärteren Materialien ein Diamantkegel mit einem Öffnungswinkel von 120◦ (HRC und HRA). ZurErmittlung der Rockwellhärte wird der Prüfkörper nach definierter Prozedur und mit definierterPrüfkraft in die Probe gedrückt. Zunächst wird eine Vorlast F0 = 98 N aufgegeben, die Oxid- undWalzschichten, sowie Rauheiten durchdringen soll. Danach wird die Prüflast nach der unten auf-geführten Tabelle aufgegeben und nach einigen Sekunden wieder auf die Vorlast entlastet. DieseVorgänge sind in Fig. 1.7 dargestellt. Die verbleibende Eindringtiefe e ist das aufzunehmende Mass,aus dem sich die Rockwellhärte ermitteln lässt:

Abbildung 1.7: Vorgänge der Rockwellhärtemessung

HRC = 100− e0.002

HRF HRB HRA HRC

Geometrie Kugel Kugel Kegel KegelMaterial Stahl Stahl Diamant DiamantAbdruck Kreis Kreis Kreis KreisVorlast 98 N 98 N 98 N 98 NPrüfzusatzlast 490.3 N 882.6 N 490.3 N 1373 NMessgrösse Eindringtiefe e Eindringtiefe e Eindringtiefe e Eindringtiefe e

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Beispiel: 64 HRC bedeutet Härtewert 64, Prüfverfahren C.Die Härteprüfung nach Rockwell C eignet sich für mittelharte Werkstoffe bis zu sehr harten Stählen.Für Hartmetalle ist die Rockwell A Prüfung vorgesehen.

1.4.4 Umrechnung

Näherungsweise lassen sich die Härtewerte in Zugfestigkeiten umrechnen. Als Anhaltswertedienen folgende Formeln:

Rm ≈ 3.21 ·HV Rm ≈ 3.38 ·HB

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2 Wahr oder Falsch?

a) Wird ein metallisches Werkstück bei tiefen Temperaturen eingesetzt, so wird die Verfesti-gungswirkung durch Erholungs- und Rekristallisationsvorgänge kompensiert.

b) Die zeitliche Veränderung der Kriechkurve entspricht der Kriechrate und ist konstant, alsostationär.

c) Die Arrheniusfunktion beschreibt die Temperaturabhängigkeit der stationären Kriechrate. Jehöher die Temperatur, desto höher ist die Kriechrate.

d) Die Spannungsrelaxation bezeichnet einen Vorgang, bei dem elastische Dehnung in Kriech-dehnung umgewandelt wird.

e) Ein hochwarmfestes Material ist auf gute Standzeiten im Kriechversuch optimiert.

f) Liegen langsame Abkühlgeschwindigkeiten vor, sodass zeitabhängige Effekte ausgenutztwerden können, wir von Glühen gesprochen.

g) Um eine bessere Zerspanbarkeit zu erreichen, muss während des Glühvorgangs eine Gefü-geumwandlung stattgefunden haben.

h) Um Martensit zu bilden, muss schnell auf eine tiefe Temperatur abgekühlt werden.

i) Vergüten ist eine Kombination aus Härten und Anlassen, um ein Optimum aus Härte undZähigkeit zu erreichen.

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3 Aufgaben für die Übungstunde

3.1 Isothermes ZTU Diagramm

Bainit zeichnet sich durch eine günstige Kombination von Härte, Festigkeit und Zähigkeit aus.Um dieses Gefüge zu erzeugen, ist für einen eutektoiden Stahl folgender Prozess vorgeschlagen:Austenitisieren bei 750 ◦C, Abschrecken auf 250 ◦C und Halten dieser Temperatur über 15 min,danach Abkühlen auf Raumtemperatur. Siehe Abb. 3.1.

a) Liegt nach diesem Ablauf ein Gefüge mit 100 % Bainit vor? Erklären Sie.

b) Falls nicht, was ist zu ändern?

Abbildung 3.1: Isothermes ZTU Diagramm

3.2 Kontinuierliches ZTU Diagramm

a) Vervollständigen Sie das Diagramm in Abb. 3.2a durch die folgenden Angaben:

MS• BS• PS• F• P• B• M• A• AC1• AC3•

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b) Bestimmen Sie die t 85

– Zeit zur Erzielung eines Mehrphasengefüges aus Ferrit, Perlit undBainit und geben Sie die korrelierende Härte HV an.

c) Die Abkühlung eines Werkstückes aus C35 erfolgt so, dass die Temperatur aussen innerhalbvon 1 s unterhalb MS sinkt und in der Werkstückmitte nur noch Ferrit und Perlit entstehen.Zeichnen Sie den Härteverlauf über der Materialtiefe in Abb. 3.2b ein.

d) Welchen anderen Werkstoff würden Sie wählen, um bei gleicher Abkühlung eine gleichmäs-sige, hohe Härte zu erreichen, und warum?

(a) Kontinuierliches ZTU Diagramm

HV10

rra

200

400

600

(b) Härteverlauf im Materi-al

Abbildung 3.2

3.3 Teilchenhärtung

Gegeben ist ein Ausschnitt aus dem Phasendiagramm des Zweistoffsystems A-B, das für Ausschei-dungshärtung geeignet ist. (Abb. 3.3a)

a) Erklären Sie den Wirkmechanismus der Teilchenhärtung.

b) Beschreiben Sie den Härtungsprozess der Teilchenhärtung. Welcher Vorgang ist zu vermei-den?

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c) Welche der Legierungen 1,2,3,4 eignen sich für die Teilchenhärtung? Warum bzw. warumnicht?

d) Erklären Sie in Abb. 3.3b die Verläufe der Kurven C und A während der Auslagerungszeit.

(a) Zweistoffsystem A-B(b) Verlauf der Streckgrenze über die Aus-lagerungszeit

Abbildung 3.3

3.4 Härteprüfung

a) Die Härte soll nach Brinell mit einer Prüfkugel D = 5 mm und einer Einwirkdauer von 10 sbestimmt werden. Geben Sie die Brinellhärte für einen gemessenen Abdruckdurchmesserd = 2.06 mm an. (Belastungsgrad B=30)

b) Bestimmen Sie Einwirkdauer, Prüfkraft und ungefähre Zugfestigkeit aus der folgendenHärteangabe: 210HV50/20.

c) Welches Härteprüfverfahren schlagen Sie für eine randschichtgehärtete Führungsschienevor? Begründen Sie Ihre Wahl.

d) Ist es zweckmässig, wenn einsatzgehärtete Zahnräder nach dem Brinellverfahren geprüftwerden? (Begründen Sie.)

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4 Hausaufgaben

4.1 Isothermes ZTU Diagramm

Gegeben ist das isotherme Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild eines Stahles.

a) Erklären Sie die Bedeutung der Linien und Felder.

b) Zeichnen Sie in Abb. 4.1 einen Temperaturverlauf ein, bei dem etwa 50% Bainit und der RestMartensit entsteht

c) Wie gross ist der Kohlenstoffgehalt des Stahles und woran ist das erkennbar?

d) Was passiert, wenn der Werkstoff nie unter 200 ◦C abgekühlt wird?

e) Was passiert, wenn er nach der Abkühlung auf 200 ◦C erwärmt wird?

Abbildung 4.1: Isothermes ZTU Diagramm

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4.2 Kontinuierliches ZTU Diagramm

a) Konstruieren Sie in Abb. 4.2 auf Basis der folgenden Angaben ein kontinuierliches ZTU-Diagramm für

AC1 = 727 ◦C• AC3 = 810 ◦C•

TA = 900 ◦C• MA : t < 10 s : 350 ◦C; t = 500 s : 300 ◦C•

Ferrit-Startlinie: Beginn bei 80 s und 550 ◦C• Perlit Startlinie: Beginn bei 300 s und 560 ◦C•

Perlit Endlinie: Beginn bei 800 s und 540 ◦C• Bainit Startlinie: Beginn bei 10 s und 350 ◦Csowie bei 20 s und 475 ◦C

•

Bainit-Ende: bei 500 s und 300 ◦C bis 800 sund 540 ◦C

•

b) Wie gross ist die Härte HV10 für die Probe gemäss untenstehenden Abkühlkurven, welchebei Raumtemperatur zu 100% aus Martensit und Restaustenit besteht?

c) Wie gross ist t 85

für die Probe gemäss untenstehenden Abkühlkurven, welche bei Raumtem-peratur nur aus Ferrit und Bainit besteht?

Abbildung 4.2: Kontinuierliches ZTU Diagramm

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4.3 Teilchenhärtung

σs

f(t)

A B C

Abbildung 4.3: Streckgren-zenverlauf

a) Erläutern Sie den in Abb. 4.3 abgebildeten Streckgrenzenverlaufbei Teilchenhärtung.

b) Wie lauten die Zeitgesetze?

c) Ordnen Sie die Begriffe "grobe/feine Gleitverteilungßu.

d) Erläutern Sie, warum grobe Gleitverteilung schädlich ist.

4.4 Harte Oberfläche, weicher Kern

a) Warum macht es Sinn, Bauteilen eine harte Oberfläche zu ge-ben?

b) Wie soll das Innere eines Bauteiles im Allgemeinen beschaffensein?

c) Beschreiben Sie die Verfahren, mit welchen man bei Stählen eineharte Oberfläche erzeugen kann.

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