Werkstofftechnik 2

Dies kann passieren, in dem eine Austenitierung übereutektoider Stähle nur etwas oberhalb von A₁ erfolgt. Damit bleibt Zementit erhalten und die gelöste C-Konzentration ist auf Werte unter 0,9% beschränkt.

Eine zylindrische Probe wird austenitisiert und an der Stirnfläche durch Wasser abgeschreckt. Die Abkühlgeschwindigkeit nimmt bei dieser Stirnabschreckung mit zunehmendem Abstand von der Stirnfläche ab, so dass lokal im kontinuierlichen ZTU-Diagramm unterschiedliche Abkühlkurven durchlaufen werden.

1. Direkthärtung
2. Warmbadhärtung
3. Zwischenstufenvergütung
4. Thermomechanische Behandlung
5. Tieftemperaturbehandlung

Direkte Abkühlung von Austenitierungstemperatur auf RT.

--> Kann zu starken Wärme- und Umwandlungsspannungen führen

Zur Vermeidung von Eigenspannungen wird in zwei STufen abgekühlt. In der ersten Stufe dient ein Warmbad (Salz- oder Metallschmelze) mit T>M_s als Kühlmedium. Danach wird eine entsprechende Haltezeit eingehalten u, Wärmespannungen abzubauen. Daraufhin erfolgt die zweite Abühlstufe in welcher die Martensitbildung stattfindet.

(Es wird um die Nase herum wärmebehandelt)

Die Abkühlung erfolgt in zwei Stufen. Eine lange Haltezeit führt zur Zwischenstufe (Bainit). Eine anschließende Anlassbehandlung kann dadurch entfallen.
 

die thermische Behandlung wird durch gezielte Verformung ergänzt (z.B.: Austenitformhärtung)

Zur Vermeidung von Restaustenit wird in flüssigen CO₂ (-79°C) oder flüssigen N₂(-196°C) mehrere Stunden gehalten.

Durch Randschichthärtung:

1. thermische Oberflächenbehandlung

2. thermisch-chemische Verfahren

Wenn die Randschichtzusammensetzung nicht verändert werden soll, kann eine Härtung erfolgen indem man:

- nur den Rand in das Austenitgebiet erwärmt

- nur im Rand die kritische Abkühlgeschwindigkeit erreicht.

Beispiel: Flammhärten, Induktionshärtung, Impulshärtung.

Aus einer gasförmigen, flüssigen oder festen Umgebung werden C- und/oder N- oder B-Atome auf die Werkstückoberfläche übertragen, welche dann in die Randschicht diffundieren, was dann in einer Härtung resultiert.

Beispiel: Einsatzhärten, Nitrieren, Karbonitrieren, Plasmanitrieren

Der Randbereich eines Stahl mit einem C-Gehalt <0,2% wird aufgekohlt auf 0,8%, wo dieser dann gehärtet werden kann.

Es entsteht eine Nitrierschicht, die aus einer dünnen Verbindungsschicht und einer
Diffusionsschicht besteht. In der Diffusionsschicht liegt Stickstoff zwangsgelöst im
Mischkristall vor (hohe Abkühlgeschwindigkeit), oder wird in Form von Nitridnadeln
ausgeschieden. Nitrierstähle enthalten Nitrid- oder Karbonitridbildende Elemente,
deren Verbindungen sehr hart sind und einen guten Verschleißwiderstand
hervorrufen.

Zugabe von z.B. 15% SiC-Partikel

--> Verbundwerkstoff

1. kohärent

2. teilkohärent

3. inkohärente Aussscheidung
 

dc/dt=-divj

t: Zeit [s]

divj: dj/dx+dj/dy+dj/dz [1/m³s]

für den eindimensionalen Fall gilt: dc/dt=D*d²c/dx²

Die Krümmung des Konzentrationsprofils bestimmt, wie sich die Konzentration an der betrachteten Stelle ändert.

1. direkter Platzwechsel

2. Leerstellenmechanismus

3. Zwischengittermechanismus

1. ist eher unwahrscheinlich, da in kristallinen Festkörpern meist eine ausreichende Fehlstellendichte vorliegt um Mechanismen 2.&3. zu ermöglichen.

Diffusion im Zwischengitter ist insbesondere für interstitiell gelöste Atome mit geringer Größe ( C,H,N,O,...) von Bedeutung

Oberflächendiffusion

Volumendiffusion

Korngrenzendiffusion

Versetzungsliniendiffusion

...

Unterkühlung

Keimbildung + Wachstum

Erniedrigung der Energie

a.) Energiegewinn durch Phasenumwandlung

b.) Energieaufwand durch Bildung von Grenzfläche

ΔG_v=(4/3)πr³Δg_v

ΔG_v: die Abnahme an Gibbscher freier Enthalpie

(4/3)πr³: Volumen des Keims

Δg_v: Wert/Volumeneinheit ??

Näherung: Δg_v=α(T-T_u) ►Proportionalitätskonstante

ΔG_s=4πr²γ

Es wird eine neue Grenzfläche (Phasengrenze) gebildet. Pro Flächeneinheit ist dazu der Energieaufwand γ (Grenzflächenenergie) erforderlich.

1. für kleine Keime eine Wiederauflösung erfolgt, da diese mit einer Energiesenkung verbunden ist.

2. eine kritische Keimgröße überwunden werden muss damit ein weiteres Wachstum der Keime unter Energiegewinn erfolgt

ΔG=ΔG_v+ΔG_s=(4/3)πr³Δg_v+4πr²γ

Ableiten nach r -> für r=r* gleich Null setzen

nach r* umstellen

r*=-2γ/Δg_v

• Der kritische Radius ist um so größer, je größer die Grenzflächenenergie ist
• Der kritische Radius ist um so kleiner, je größer die Unterkühlung ist (d.h. je niedriger T ist)

Einsetzen des kritschen Radius in ΔG ergibt:

ΔG*=16πγ³/3Δg_v²

Es werden umso mehr Keime pro Zeiteinheit gebildet, je größer die Unterkühlung ist und um so kleiner die Grenzflächenenergie ist.

Außerdem wird mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit, das entstehende Gefüge feiner.