Ableseübungen im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Gewerbeschule
Lörrach
Abkühlungsvorgänge im
Fe – Fe3C – Diagramm
Aufgabe
Beschreiben Sie die Vorgänge beim Abkühlen aus der Schmelze, die man aus dem Zustandsdiagramm herauslesen
kann. Markieren Sie die Verläufe in den Zustandsdiagrammen, und skizzieren Sie die Abkühlungskurven.
Reines Eisen
ϑ A H
°C
B
δ-Fe
I
1400
C
1200
γ-Fe
1000
G
β-Fe
M
F
...............................................................................................................
O
...............................................................................................................
↓Q
723°C
K
Eutektoid
P
...............................................................................................................
L↓
6,67
1
2
→ Gehalt in Gew.-%:
0
Fe
...............................................................................................................
1147°C
...............................................................................................................
S
600
2
E
...............................................................................................................
ϑ
°C
Curie-Linie
800
α-Fe
ϑ
°C
Schmelze
N
Einige Metalle, darunter auch Eisen, bilden bei verschiedenen Temperaturen verschiedene Gittertypen. Solche Metalle nennt man polymorph und bezeichnet die Gittertypen mit griechischen Buchstaben α,
β, γ .. , beginnend bei den niedrigen Temperaturen.
Fe3C
1
C
→t/h
C50
ϑ A
°C
Stahl mit 0,5%C....................................................................................
ϑ
°C
Schmelze
...............................................................................................................
Die technische Bedeutung von δ-Fe ist gering, deshalb wird es meist
vernachlässigt. β-Fe ist wie α-Fe, nur unmagnetisch. Neben den
allgemeinen Bezeichnungen haben die Gefüge im Eisen-KohlenstoffDiagramm spezielle Namen (→ folgendes Zustandsdiagramm).
...............................................................................................................
1400
...............................................................................................................
C
1200
Austenit
E
...............................................................................................................
1147°C
F
...............................................................................................................
1000
800
P
600
↓Q
...............................................................................................................
K
...............................................................................................................
L↓
...............................................................................................................
6,67
1
2
→ Gehalt in Gew.-%:
0
C
Fe
3
723°C
Perlit
Ferrit
S
...............................................................................................................
Zementit
G
C150
ϑ A
°C
→t/h
Stahl mit 1,5%C....................................................................................
ϑ
°C
Schmelze
...............................................................................................................
...............................................................................................................
1400
...............................................................................................................
C
1200
Austenit
E
...............................................................................................................
1147°C
F
...............................................................................................................
1000
800
P
600
↓Q
0
Fe
723°C
Perlit
Ferrit
S
1
2
→ Gehalt in Gew.-%:
...............................................................................................................
Zementit
G
...............................................................................................................
K
...............................................................................................................
L↓
...............................................................................................................
6,67
C
→t/h
...............................................................................................................
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4
Abkühlungsvorgänge im
Fe – Fe3C – Diagramm
Gusseisen mit 3% Kohlenstoff
ϑ
°C
A
...............................................................................................................
Schmelze
...............................................................................................................
1400
D
...............................................................................................................
C
G Austenit
800
2,06%C
1000
600
↓Q
K
723°C
Perlit
Ferrit
S
P
F
Ledeburit
E 1147°C
0
2
3
4
5
6
→ Gehalt in Gew.-%:
...............................................................................................................
...............................................................................................................
...............................................................................................................
...............................................................................................................
L↓
1
Fe
...............................................................................................................
Zemenetit 6,67%C
1200
7
C
...............................................................................................................
...............................................................................................................
5
Gusseisen mit 5% Kohlenstoff
ϑ
°C
A
...............................................................................................................
Schmelze
...............................................................................................................
1400
D
...............................................................................................................
C
G Austenit
800
2,06%C
1000
P
600
↓Q
0
Fe
K
723°C
Perlit
Ferrit
S
F
Ledeburit
E 1147°C
...............................................................................................................
Zemenetit 6,67%C
1200
2
3
4
5
6
→ Gehalt in Gew.-%:
...............................................................................................................
...............................................................................................................
...............................................................................................................
L↓
1
...............................................................................................................
7
C
...............................................................................................................
...............................................................................................................
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Abkühlungsvorgänge im
Fe – Fe3C – Diagramm
Lösungsvorschläge
Reines Eisen
ϑ A H
°C
B
δ-Fe
I
1400
Schmelze
C
1200
γ-Fe
1000
β-Fe
M
↓Q
Über 1536°C (Punkt A) ist Eisen flüssig.
270 J/g
δ-Fe
10,5 J/g
Bei 911°C (G) wandelt sich γ-Fe zu β-Fe (Haltepunkt).
911
723°C
K
768
28,4 J/g
β-Fe
7,5 J/g
α-Fe
L↓
C
C50
ϑ A
°C
→t/h
ϑ
°C
Schmelze
Über der A-C – Linie ist C50 vollständig geschmolzen und Fe und C
gleichmäßig verteilt (vollkommene Löslichkeit im flüssigen Zustand).
Schmelze
S + Austenit
Im Feld A-C-E sind mehrere Phasen gemischt. Welche Phasen in einem Phasenmischgebiet beteiligt sind, verrät eine waagerechte Linie
(im Bild grün und doppelt) bis zu den nächsten Phasengrenzen, in
dem Fall Austenit und Schmelze. D.h., unter der Linie A-C kristallisiert
die Schmelze allmählich (Knickpunkte) zu Austenit, bis sie mit Erreichen der Linie A-E vollständig erstarrt ist.
Im Zustandsdiagramm kann man ablesen, dass Austenit max. 2,06%
C aufnehmen kann. Fe und C bilden also ein homogenes Gefüge
(Mischkristall).
1400
C
1200
Austenit
E
Austenit
1147°C
F
1000
P
600
↓Q
3
723
Ferrit + Austenit
K
Ferrit + Perlit
L↓
6,67
1
2
→ Gehalt in Gew.-%:
0
Fe
723°C
Perlit
Ferrit
S
Zementit
G
800
C
→t/h
C150
ϑ A
°C
ϑ
°C
Schmelze
1400
Austenit
E
Vorgänge an und unter der P-S-K – Linie (723°C) siehe C150.
Das Feld S-E-F-K ist wieder ein Phasenmischgebiet, diesmal aus
Austenit und Zementit, wie die waagerechte Linie (im Bild grün und
doppelt) bis zu den nächsten Phasengrenzen verrät. Das bedeutet,
dass die Linie S-E die Löslichkeitsgrenze für Kohlenstoff im Austenit
beschreibt und Austenit mit Unterschreiten dieser Linie Kohlenstoff
ausscheidet, und zwar in Form von (Sekundär-)Zementit Fe3C. Das
Zementit lagert sich an den Korngrenzen an, deshalb heißt es auch
Korngrenzenzementit. Das Austenit verliert dabei Kohlenstoff.
1147°C
Austenit
F
Unter der Linie G-S wandeln sich Teile von Austenit allmählich (Knickpunkte), aber nicht vollständig, in Ferrit um. An der linken Phasengrenze (rote Linie) dieses Mischgebietes kann man ablesen, dass
Ferrit nur wenig C enthält. An der rechten Phasengrenze (orange)
erkennt man, dass im Austenit der C-Anteil mit sinkender Temperatur
bis 0,83% steigt.
Zustand der Schmelze und ihre Umwandlung in Austenit siehe C50.
Schmelze
S + Austenit
C
1200
Bei 768°C (M) wandelt sich β-Fe zu α-Fe (Haltepunkt). α-Fe und β-Fe
unterscheiden sich nur dadurch, dass β-Fe nicht magnetisch ist.
Wenn es auf dieses Eigenschaft nicht ankommt, bezeichnet man
beide Formen mit α-Fe bzw. Ferrit.
Die Energien, die bei den Kristallisationsvorgängen freiwerden, kann
man nicht aus dem Zustandsdiagramm ablesen.
6,67
1
2
→ Gehalt in Gew.-%:
0
Bei 1536°C (A) kristallisiert die Schmelze zu δ-Fe. Da sich das ganze
Material 'gleichzeitig' umwandelt, zeigt die Abkühlungskurve einen
Haltepunkt.
Bei 1392°C (N) wandelt sich das δ-Fe zu γ-Fe (Haltepunkt).
γ-Fe
F
Eutektoid
P
600
Fe
1147°C
O
S
α-Fe
2
E
ϑ
°C
Curie-Linie
800
Schmelze
1392
N
G
ϑ
1536
°C
Fe3C
1
G
800
600
↓Q
0
Fe
Perlit
Ferrit
S
P
723°C
Zementit
1000
K
L↓
6,67
1
2
→ Gehalt in Gew.-%:
C
(Korngrenzen-)
Zementit
+ Austenit
723
(Korngrenzen-)
Zementit
+ Perlit
→t/h
An der P-S-K – Linie (723°C) wandelt sich das restliche Austenit, das
jetzt 0,83% C enthält, zu Perlit um. Perlit ist ein Mischgefüge aus
Ferrit und Zementit, wie wiederum die waagerechte Linie (im Bild
doppelt orange) verrät. Die Vorgänge entsprechen einem Eutektikum,
aber da es nicht aus einer flüssigen Phase entsteht, nennt man es
Eutektoid. Die Umwandlung verläuft 'gleichzeitig' und deshalb die
Abkühlungskurve als Haltepunkt.
Beim weiteren Abkühlen unter der Linie P-S-K sinkt die Löslichkeit
von C in Ferrit entlang der Linie P-Q von 0,02% auf 10-5%. D.h., das
Ferrit (im Perlit) scheidet Kohlenstoff in Form von Zementit an die
Korngrenzen des Ferrits aus (Tertiärzementit)
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Gusseisen mit 3% Kohlenstoff
Schmelze
Ausscheiden von
Austenit
aus der Schmelze
1400
G Austenit
800
Umwandlung des
Restaustenits zu
Perlit
= Eutektoid aus
Ferrit und Zementit
723°C
600
↓Q
0
Fe
5
1
K
L↓
2
3
A
4
5
6
→ Gehalt in Gew.-%:
Ausscheiden von
Primärzementit
aus der Schmelze
600
↓Q
0
Ausscheiden von
Tertiärzementit
aus dem Ferrit
Perlit
Ferrit
S
Umwandlung des
Restaustenits zu
Perlit
= Eutektoid aus
Ferrit und Zementit
723°C
Ledeburit
Ledeburit
G Austenit
P
Die C-D – Linie ist die Löslichkeitsgrenze für Zementit in der Schmelze
und mit ihrem Unterschreiten scheidet die Schmelze Zementitkristalle
(= Primärzementit) aus. Die Restschmelze verliert C bis es nur noch
4,3%C enthält.
1
2
D
C
E 1147°C
2,06%C
1200 Ausscheiden von
Sekundärzementit
aus dem Austenit
an die Korngrenzen
1000
800
7
C
Schmelze
1400
Fe
Umwandlung der
Restschmelze zu
Ledeburit
= Eutektikum aus
Austenit / Perlit
und Zementit
Gusseisen mit 5% Kohlenstoff
ϑ
°C
Weitere Vorgänge siehe Gusseisen mit 5% Kohlenstoff.
F
Ausscheiden von
Tertiärzementit
aus dem Ferrit
Perlit
Ferrit
S
P
D
C
E 1147°C
2,06%C
1200 Ausscheiden von
Sekundärzementit
aus dem Austenit
an die Korngrenzen
1000
Die A-C – Linie ist die Löslichkeitsgrenze für Austenit in der Schmelze
und mit ihrem Unterschreiten scheidet die Schmelze Austenitkristalle
aus. Die Restschmelze reichert sich mit Kohlenstoff C bis zu 4,3%C.
Zemenetit 6,67%C
A
Umwandlung der
Restschmelze zu
Ledeburit
= Eutektikum aus
Austenit / Perlit
und Zementit
K
L↓
3
4
An der E-C-F – Linie wandelt sich die Restschmelze zum Eutektikum
des Fe-Fe3C – Systemes um. Man nennt es Ledeburit und es besteht
aus Austenit und Zementit (orange doppelte waagerechte Linie).
F
5
6
→ Gehalt in Gew.-%:
Zemenetit 6,67%C
ϑ
°C
Ledeburit
4
Abkühlungsvorgänge im
Fe – Fe3C – Diagramm
Die S-E – Linie ist die Löslichkeitsgrenze für Kohlenstoff im Austenit.
Mit ihrem Unterschreiten scheidet das Austenit (im Ledeburit)
Kohlenstoff in Form von Zementitkristallen (= Sekundärzementit) aus.
Das restliche Austenit wird ärmer an C bis zu 0,83%C.
An der P-S-K – Linie (723°C) wandelt sich das restliche Austenit (im
Ledeburit) zu Perlit um. Perlit ist ein Kristallgemisch aus Ferrit und
7 Zementit (braune doppelte waagerechte Linie).
C
Die P-Q – Linie ist die Löslichkeitsgrenze für Kohlenstoff im Ferrit. Mit
ihrem Unterschreiten scheidet das Ferrit (im Perlit im Ledeburit)
Kohlenstoff in Form von Zementitkristallen (= Tertiärzementit) aus.
Die Bezeichnungen Primär-, Sekundär- und Tertiärzementit beziehen
sich also auf die Entstehungsphase des Zementits, nicht auf
unterschiedliche Formen von Zementit.
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EKD_AB_Abkühlung.odt, 14.03.11