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  • 1. Seite 1 von 13 Praktikum WerkstofftechnikInstitut fr Werkstofftechnik Universitt Kassel Wintersemester 2010/2011 Versuch 12 Dilatometrie1. Grundlagen S.22. DilatometerS.93. Aufgabenstellung S.124. Versuchsdurchfhrung S.125. Kontrollfragen S.136. LiteraturS.13

2. Seite 2 von 13Versuch 12 Dilatometrie 1. GrundlagenLngennderungen bzw. Volumennderung aufgrund von thermischer Erwrmung undPhasenumwandlung sind wichtige Phnomene im Maschinenbau. Phasenumwandlungenspielen eine groe Rolle in der Wrmebehandlung von Sthlen. Lngennderungen mssenin der Konstruktion von Bauteilen bercksichtigt werden. Quantitative Angaben bertemperaturabhngige Lngennderungen werden mithilfe der Dilatometrie gewonnen. 1.1 Thermische AusdehnungFgt man einem Stoff Energie in Form von Wrme zu, so wird er sich ausdehnen. Dies giltfr Festkper wie auch fr alle anderen Aggregatzustnde. Fr die thermische Ausdehnungist die Zunahme der Atomabstnde verantwortlich. Dies geschieht entweder durchPhasenumwandlungen, in denen sich die Gitterstruktur der Atome ndert oder durch dasschwingen von Atomen. Beide Phnomene sollen in den nchsten beiden Kapitel erlutertwerden.Die Lngennderung eines Werkstoffes beruht aufdem sich ndernden Abstand zweier Atome. DerAbstand von Atomen ist durch Krfte bestimmt,Gleichgewichtszustand liegt bei 0 , an dieser Stelleanziehendeund abstoende. Derheben sich die Krfte gegenseitig auf. Wrdenbeide Krfte bei Temperaturerhhung gleichmig .wachsen, so wrde daraus ein symmetrischesBindungspotential entstehen und derAbstand wrde sich nicht ndern. Jedoch ist dienderung des Potentials anharmonisch. Aus derAtomabstand 0Asymmetrie der Kurven folgt, dass der mittlerezunimmt (Abb.1). Aus dieser Abb.1 Wechselwirkungspotential zwischen zweiAtomen.[6]Beziehung resultiert die Lngennderung.r0 = mittlerer Atomabstand 3. Seite 3 von 13Die Lngennderung bei Temperaturerhhungen ist gering, jedoch spielt sie eineAusdehnungskoeffizienten von zwei Festkrpern, die in einem Gert verbunden werden,wesentliche Rolle in zahlreichen technischen Gebieten. Beispielsweise mssen dierelativ gleich sein. Anderenfalls fhren starke Temperaturschwankungen dazu, dassaufgrund der inhomogenen Verformung ein Bauteil unter Spannung gert oder sich biegt.Ein einfaches Beispiel sind zwei Stbe aus unterschiedlichenMetallen der Lngenausdehnungskoeffizienten Metallen, welche erwrmt werden. Da in der Regel von weichen grer ist alsder von harten Metallen, dehnt sich das weichere Metall strker aus.Zur Berechnung der Spannungim Eisenstck wird folgendeAls Resultat wird sich der in Abb.2 gezeigte Stab nach oben biegen.Abb.2 fester Verbund von Eisen- und Zink-Stab= (, )Formel bentigt.+, : : : ,, , : , Fr die Berechnung des Lngenausdehnungskoeffizienten gehen wir davon aus, dassein Stab mit der Lnge 0 bei einer Temperatur 0 vorliegt. Dieser Stab wird auf eineTemperatur 1 erwrmt. Zur Berechnung der neuen Lngegilt folgende Gleichung:= 0 (1 + (1 0 )) 1 0 = wobei gilt:Durch Umformen ergibt sich die Formel, durch die berechnet werden kann. 0 ==0 0 =, folgt daraus =0DaIm Allgemeinen ist aber keine Konstante, sondern nimmt mit der Temperatur zu. Jedochkann fr metallische Werkstoffe zwischen 0 und 100 als konstant angenommen(in1061).werden. In Tabelle 1 sind einige Werte fr die gebruchlichsten Metalle zusammengefasst Ag AlCuFe Mg TiTabelle 1 Ausdehnungskoeffizienten fr einige Metalle (in1061 ). [9] 19.7 23.816.811.726.0 9.0 4. Seite 4 von 13Auer dem Lngenausdehnungskoeffizient spielen im Zusammenhang mit thermischbedingter Lngennderung noch Phasenumwandlungen eine Rolle. Bei Sthlen finden beiTemperaturen ab 723C Phasenumwandlungen statt, welche Auswirkungen auf denAusdehnungskoeffizienten haben und zu Volumennderung fhren. Erklrt werden diePhasenumwandlungen im nchsten Kapitel.1.2 Umwandlung des EisensReines Eisen ist ein polymorpher Werkstoff (griechisch: polymorphos, vielgestaltig). Dasbedeutet, dass die Kristallgitterstruktur sich mit der Temperatur ndert.Bei Raumtemperatur liegt reines Eisen in einem kubisch-raumzentrierten Gitter vor. DieseAnordnung wird als -Eisen (Ferrit) bezeichnet. Sobald Eisen auf eine Temperatur von911C erwrmt wird, geht das -Eisen in eine kubisch-flchenzentrierte Raumstruktur ber.Diese wird als -Eisen (Austenit) bezeichnet. Wird das -Eisen weiter bis zu einerTemperatur von 1392C erhitzt, findet erneut eine Umwandlung der Gitterstruktur statt.Hierbei entsteht wieder ein kubisch-raumzentriertes Gitter, welches -Eisen (-Ferrit)genannt wird. Bei einer Erwrmung auf ber 1536C schmilzt das Eisen. Die Umwandlungender Gitterstrukturen sind in den Lngennderungen einer Dilatometerkurve erkennbar. Abb. 3 Berechnete Dilatometerkurve fr reines Eisen mit eingezeichneten Phasenumwandlungen 5. Seite 5 von 13Die kontinuierliche Lngennderung mit wachsender Temperatur ist auf die im Abschnitt 1.2beschriebene thermische Ausdehnung zurckzufhren. Die bei 911C und 1392CauftretendesprunghaftenderungderLnge beruht auf den stattfindendenPhasenumwandlungen. Dabei ist zu bercksichtigen, dass - und -Eisen sich sowohl in derGitterkonstante der Elementarzelle als auch in der Packungsdichte unterscheiden.1.3 Das Eisen-Kohlenstoff DiagrammDie bei Sthlen bzw. Gusseisen mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten als Funktion derTemperatur auftretenden Phasen werden im Fe-C-Zustandsschaubild dargestellt. Dadurchbildet es eine wichtige Grundlage fr die technischen Anwendungen von Sthlen.Abb.4 Metastabiles Zustandsdiagramm Fe, Fe3C Gefgemige Betrachtung)[1] 6. Seite 6 von 13Auf der X-Achse des Eisen-Kohlenstoff Diagramms ist der Kohlenstoffgehalt aufgetragen,auf der Y-Achse die Temperatur. Die Form des Schaubildes wird im Wesentlichen durch dieLslichkeit von Kohlenstoff in -, bzw. -Eisen geprgt. Beide Zellen besitzenOktaederlcken. Sie sind fr das -Eisen wesentlich grer als fr das -Eisen. EinKohlenstoffatom bentigt jedoch etwas mehr Platz. Deshalb werden die Zelle, in die sich dasKohlenstoffatom einlagert, wie auch die benachbarten Zellen aufgeweitet. In dieseaufgeweitete Umgebung eines Kohlenstoffatoms kann kein anderes Atom mehr in das Gittereingebaut werden. In -Eisen, in dem das Gitter durch die Einlagerung des Kohlenstoffs nurwenig aufgeweitet wird, ist mehr Kohlenstoff lslich als im -Eisen. Mit steigenderTemperatur nimmt die Gitterkonstante zu. Dies bedeutet, dass mehr Kohlenstoffatome in dieGitter eingelagert werden knnen.[4]0 = 0,1520 = 0,414KrzKfzO-LckenradiusZahl der O-Lcken pro Elementarzelle6 4Zahl der O-Lcken pro Fe-Atom 3 1Tabelle 2 Vergleich kubisch-raumzentrierter- und kubisch-flchenzentrierter-Gitter im Bezug auf OktaederlckenDie Gefgenderungen von Stahllegierungen bzw. Gusseisen werden in Beziehung zumKohlenstoffgehalt und Temperatur beschrieben. ber 2,06% Masseprozent Kohlenstoffzhlen alle Legierungen zu den weien Gusseisen. Sthle haben laut Definition einenKohlenstoffgehalt von bis zu 2,06% und werden in diesem Praktikum betrachtet.Diese werden unterscheiden in: 0,02Massegehalt C0,8untereutektoide Sthle 0,8% Massegehalt Ceutektoide Sthle 0,8Massegehalt C2,06bereutektoide SthleAllgemeinknnenimEisen-KohlenstoffdiagrammdieGefgearten undPhasenumwandlungen erkannt werden. Wichtig ist hierbei die P-S-K Linie, ab der sich dieGefge bei Raumtemperatur anfangen in Austenit umzuwandeln. Diese Umwandlung ist inder Wrmebehandlung von Sthlen von grter Wichtigkeit. Zustzlich kann in diesemDiagramm der Massegehalt an Zementit abgelesen werden.Weitere wichtige Punkte des Eisen-Kohlenstoffdiagramms: S = eutektoider Punkt C = eutektischer Punkt G = / - Umwandlungspunkt des reinen Eisens E = Punkt max. C-Lslichkeit im - MK P = Punkt max. C-Lslichkeit im - MK 7. Seite 7 von 13 1.4 Einfluss von LegierungselementenWie schon im vorhergehenden Kapitel beschrieben, knnen die Umwandlungstemperaturenvon Sthlen aus dem Eisen-Kohlenstoffdiagramm abgelesen werden. Dies gilt allerdings nurfr unlegierte Sthle. Sobald dem Eisen weitere Legierungselemente hinzugefgt werden,verschieben sich die Gleichgewichtslinien des Diagramms. Umwandlungen finden nun beianderen Temperaturen und Konzentrationen statt.Dies begrndet sich in der Eigenschaft von Legierungselementen, bestimmte Phasen desEisens stabiler oder instabiler zu gestalten. In Abb.5 wird beispielsweise ein Kohlenstoffstahl(C45E) mit einem legierten Stahl (42CrMo4) verglichen. Beide besitzen den annherndgleichen Massegehalt an Kohlenstoff, jedoch treten die Umwandlungen bei deutlichverschiedenen Temperaturen auf.C45E42CrMo4 Abb.5 Vergleich einer Dilatometerkurve vonC45E und 42CrMo4 8. Seite 8 von 131.5 ZTU-SchaubilderDas Zeit-Temperatur-Umwandlungs Diagramm (ZTU) beschreibt die Entwicklung desGefges unter dem Einfluss verschiedener Abkhl-Temperaturverlufe. Durch die Hilfe vonZTU-Schaubildern knnen gezielt Wrmebehandlungen reproduzierbar durchgefhrt werden.Entwickelt werden diese Diagramme mittels eines Abschreckdilatometers nach DIN 51045-1.Die Schaubilder werden nach ihrer Art der Abkhlung in zwei Arten von ZTU Diagrammenunterschieden, isotherme- und kontinuierliche-ZTU-Diagramme. isotherm:Bei isothermen ZTU-Schaubildern wird der Zusammenhang zwischenderHaltetemperatur, der Haltedauer und dem Ablauf der Gefgeumwandlung dargestellt.gewnschte Temperaturabgekhlt und auf dieser Temperatur gehalten. DieDie auf Austenitisierungstemperatur gebrachten Proben werden rasch auf dieisothermen Schaubilder werden entlang der Temperaturlinie (T=const.) gelesen. kontinuierlich:Bei den kontinuierlichen ZTU-Schaubildern wird der Zusammenhang zwischen derAbkhlgeschwindigkeitund derGefgeumwandlung dargestellt. Die aufAustenitisierungstemperatur gebrachten Proben werden mit unterschiedlichenGeschwindigkeiten abgekhlt. Die kontinuierlichen Schaubilder werden entlang derTemperaturverlufe gelesen.In Abb.6 ist ein isothermes ZTU-Schaubildvon C45E zu sehen. Im Vergleich dazu istein kontinuierliches ZTU-Schaubilddesselben Stahles in Abb.7 zu sehen. Mansieht die charakteristischen Unterschiededer beiden Schaubilder, welche durch di