Die Umwandlung von Stahl während der Abkühlung

Die Umwandlung von Stahl während des Abkühlens       

Abkühlen ist ein unverzichtbarer Schritt im Wärmebehandlungsprozess.        

Nachdem ein Stahlteil erhitzt und bei einer bestimmten Temperatur gehalten wurde, um Austenit mit feinen und gleichmäßigen Körnern zu erhalten, wird anschließend abgekühlt.

• Unterkühlter Austenit: Austenit, der unterhalb des kritischen Punktes A₁ nicht umgewandelt wird (in Bezug auf die Struktur).
• An diesem Punkt wandelt sich der unterkühlte Austenit nicht sofort um; stattdessen befindet er sich in einem thermodynamisch instabilen Zustand (als instabile Struktur) und wird sich schließlich umwandeln.
• Abhängig vom Grad der Unterkühlung (d. h. den unterschiedlichen Umwandlungstemperaturen) erfährt der unterkühlte Austenit drei Arten von Umwandlungen:
• Perlitische Umwandlung
• Bainitische Umwandlung
• Martensitische Umwandlung

• Umwandlungsbedingung: Unterkühlter Austenit wandelt sich im Temperaturbereich von A₁ → 550°C in eine perlitartige Struktur um.
• Umwandlungsprodukt: Eine mechanische Mischstruktur, die aus abwechselnden Lamellen aus Ferrit und Zementit besteht.
• Perlit ist eine der fünf grundlegendsten Strukturen in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen. Er wird mit dem Buchstaben "P" (von "Perlit") bezeichnet. Der Name leitet sich von seinem perlmuttartigen Glanz ab.     
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Sorbit (S)

Bildungstemperatur: 650 ~ 600°C; er hat relativ dünne Lamellen mit einer Dicke von etwa 80 ~ 150 nm. Die Lamellen sind unter einem optischen Mikroskop schwer zu unterscheiden und können nur als Lamellenstruktur aus Ferrit und Zementit unter einem hochvergrößernden optischen Mikroskop (bei 800 ~ 1500× Vergrößerung) identifiziert werden.

Troostit (T)

Bildungstemperatur: 600 ~ 550°C; er hat extrem dünne Lamellen mit einer Dicke von etwa 30 ~ 80 nm. Die Lamelleneigenschaften können unter einem optischen Mikroskop überhaupt nicht unterschieden werden und können nur unter einem Elektronenmikroskop identifiziert werden.

Die Austenitisierungstemperatur und die Austenitkorngröße vor der Umwandlung beeinflussen nur die Größe der Perlitkolonien, haben aber keinen Einfluss auf den Lamellenabstand.

Von Perlit (P) über Sorbit (S) bis hin zu Troostit (T) gilt: Je niedriger die Temperatur, desto kleiner der Lamellenabstand und desto höher die Festigkeit und Härte. Sie unterscheiden sich nur in der Lamellenfeinheit und den Eigenschaften, ohne wesentlichen Unterschied.

Ähnlich wie der Austenitisierungsprozess beim Erhitzen ist der perlitische Umwandlungsprozess während des Abkühlens ebenfalls ein Prozess der Keimbildung und des Wachstums im festen Zustand.

Ebenso kommt es aufgrund der unregelmäßigen Atomanordnung an den Korngrenzen zusammen mit mehr Defekten wie Leerstellen und Versetzungen leicht zu einer Umlagerung der Atome, so dass sich Zementit zuerst an den Austenitkorngrenzen bildet.

Nachdem sich Zementit gebildet hat, beginnt er zu wachsen. Während des Wachstumsprozesses nimmt der Kohlenstoffgehalt des Austenits auf beiden Seiten des Zementits ab, was die Keimbildung von Ferrit fördert. Die beiden bilden sich abwechselnd und wachsen, wodurch mehrere Lamellenstrukturen entstehen, die aus Ferrit und Fe₃C bestehen.

Gleichzeitig beginnen Keimbildung und Wachstum auch gleichzeitig in anderen Teilen der Korngrenzen, wodurch mehrere Perlitkolonien mit unterschiedlichen Orientierungen entstehen.

Diese Perlitkolonien wachsen und verschmelzen zu einer kontinuierlichen Masse, und schließlich wird die gesamte Struktur in Perlit umgewandelt; somit ist die Umwandlung von unterkühltem Austenit in Perlit abgeschlossen.

Da sich Eisen- und Kohlenstoffatome aufgrund der hohen Temperatur während der Umwandlung von Austenit in Perlit ausreichend ausbreiten, wird dieser Prozess als Diffusionsumwandlung bezeichnet.

• Umwandlungsbedingung: Unterkühlter Austenit wandelt sich im Temperaturbereich von 550°C ~ Ms um. Für eutektoiden Stahl beträgt die Ms-Temperatur 230°C.
• Umwandlungsprodukt: Eine Zweiphasen-mechanische Mischung aus Fe₃C (Zementit) und kohlenstoffübersättigtem Ferrit, bezeichnet mit dem Buchstaben "B".
• 1930 beobachteten E.S. Davenport und E.C. Bain erstmals die metallographische Struktur des Umwandlungsprodukts in Stahl nach isothermer Umwandlung bei mittlerer Temperatur. Später wurde diese Struktur zu Ehren von Bains Beiträgen "Bainit" genannt.
• Basierend auf den Unterschieden in ihren mikrostrukturellen Morphologien kann Bainit in folgende Kategorien eingeteilt werden:
• Oberer Bainit (B_u)
• Unterer Bainit (B_l)

• Morphologie: Federartig.

   

  Diskontinuierlicher stäbchenförmiger Zementit (Fe₃C) ist zwischen parallelen Ferritlamellen verteilt, die von den Austenitkorngrenzen in das Korninnere wachsen.

  

• Unterer Bainit (B₍lower₎ / Bₗ)

   

  Morphologie: Bambusblattartig. Feine flockenförmige Carbide (Fe₃C) sind auf den Ferritnadeln verteilt.

  Leistungsmerkmale des unteren Bainits ab:

  Die Carbide im unteren Bainit sind fein und gleichmäßig verteilt. Zusätzlich zu hoher Festigkeit und Härte weist er auch eine gute Plastizität und Zähigkeit auf, was ihn zu einer häufig verwendeten Struktur in der industriellen Produktion macht. Das Erhalten der unteren Bainitstruktur ist eine der Methoden zur Verstärkung von Stahlmaterialien.

  Unter der Bedingung der gleichen Härte ist die Verschleißfestigkeit der unteren Bainitstruktur deutlich besser als die von Martensit, was das 1- bis 3-fache des Martensits erreichen kann. Daher ist das Erhalten von unterem Bainit als Matrixstruktur in Eisen- und Stahlmaterialien ein Ziel, das von Forschern und Ingenieuren verfolgt wird.

  

   

   

  1) Bildungsprozess des oberen Bainits

   

  Wenn die Umwandlungstemperatur relativ hoch ist (550 ~ 350°C), bilden sich Ferritkerne vorzugsweise in den kohlenstoffarmen Bereichen des Austenits. Diese Kerne wachsen dann parallel von den Austenitkorngrenzen in das Korninnere. Währenddessen diffundieren, wenn der Ferrit wächst, die überschüssigen Kohlenstoffatome in den umgebenden Austenit. Schließlich fallen kurze stäbchenförmige oder kleine flockenförmige Fe₃C (Zementit) zwischen den Ferritlamellen aus, die diskontinuierlich zwischen den parallelen und dichten Ferritlamellen verteilt sind, wodurch sich federartiger oberer Bainit bildet.