Dämpfungsmessungen an schwach gereckten Eisen-Kohlenstoff-Legierungen PDF
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OK 669.12 669.112.228.3 FORSCH U NGSBE RICHTE DES WI RTSCHAFTS- UN D VERKEHRSMI NISTERIUMS NORDRH E I N-WESTFALE N Herausgegeben von Staatssekretâr Praf. Dr. h. c. lea Brandt Nr. 457 Praf. Dr. phil. Franz Wever Dr. phil. Walfgang Wepner Max-Plonck -Institut fUr Eisenforschung, Dusseldorf L:>ămpfungsmessungen an schwach gereckten Eisen -Kohlenstoff -legierungen Ah Ma"uskript gedruckl Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1957 ISBN 978-3-663-03570-1 ISBN 978-3-663-04759-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-04759-9 Ursprunglich erschienen bei Westdeutschcr Verlag/Kfiln und Opladen 1957 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen G 1 i e d e run g s. 1. Einlei tung 5 II. Versuchsdurchflihrung • S. 7 III. Versuchsergebnisse S. 8 IV. Zusammenfassung S. 20 V. Literaturverzeichnis S. 22 Seite 3 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 1. Einlei tung Bei der technischen Verwendung der Stahle ist oft ihre Neigung zur Alte rung von Bedeutung. Man versteht darunter die Erscheinung, daB sich tech nologische und physikalische Eigenschaften im Laufe der Zeit ohne auBeres Zutun andern. Je nach dem Verwendungszweck sind die Alterserscheinungen, die nach Gllihen und Abschrecken auftreten, die Abschreckalterung, oder die nach einer Kaltverformung sich zeigende Reckalterung von groBerer Be deutung. Die Erforschung der Alterungsvorgange hat gezeigt, daB es sich um ein sehn schwieriges Problem handelt. Zur Untersuchung seiner metallphysikalischen Ursachen ist es zweckmaBig, moglichst einfache Legierungen, z.B. reine Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, heranzuziehen. An sol chen Legierungen sind seit einer Reihe von Jahren Versuche im abgeschreckten Zustand und auch nach starkerer Kaltverformung in verschiedenen Laboratorien ausgeflihrt worden. Die dabei erhaltenen Ergebnisse lieBen eine Untersuchung im Gebiet schwach Reckgrade wtinschenswert erscheinen, um einen Einblick tiber Unterschiede und Zusammenhang zwischen den metallphysikalischen Ursachen der Abschreck und Reckalterung zu erhalten. Ftir die Karbidausscheidung in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen hat sich nach 4J verschiedenen Untersuchungen [1 - das Zei tgesetz _(;)n w 1 - e ergeben, worin W den Ausscheidungsbetrag mit der Normierung ° W ftir t 0, W 1 ftir t 00, t die Zeit bedeutet; ist ein von der Versuchstemperatur abhangiger Bei ~ wert und n eine Konstante, flir die die Versuche Werte zwischen 1,2 und 1,5 [1] ergaben. Nach C. A. WERT laBt sich das Zei tgesetz theoretisch verste hen, wenn man den Konzentrationsgradienten zwischen ausgeschiedenen Teil chen und der sie umgebenden tibersattigten Losung als treibende Kraft be- Sei te 5 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen trachtet. Der Diffusionskoeffizient steckt dann in temperaturabh~ngige der GroBe T , wahrend sich n zu 1,5 ergibt. Die Tatsache, daB die versuchs gefundenen Werte ftir n meist unterhalb dieses theoretischen Wertes m~Big [5] liegen, hat B. ILSCHNER auf die allm~hliche Kohlenstoff-Verarmung der Diffusionshofe zurtickgeftihrt, die sich um die ausgeschiedenen Karbid teilchen bilden. Die genannten Versuchsergebnisse wurden an Proben erhalten, die weniger % als 0,02 C enthielten; dieser Kohlenstoff war durch Gltihung bei 7000 und Abschreckung zu Beginn des Versuches vollstandig gelost. Falls man die Proben nach dem Abschrecken vor Beginn des Messungen kalt verformt, er folgt die Ausscheidung nach einem Zeitgesetz, das dieselbe Form wie Glei chung (1) hat, aber mit dem wesentlichen Unterschied, daB der Exponent n jetzt einen Wert um 2/3 hat [2 - 4, ~ • Ferner hat ~ einen anderen Wert als bei nicht kaltverformten Proben, wenn man jeweils bei denselben Ver 2/3 suchstemperaturen vergleicht. Das Zeitgesetz mit n = laBt sich, wie s. HARPER ~] zeigte, aus der Annahme ableiten, daB bei gereckten Proben der zu Beginn des Versuches geloste Kohlenstoff in die Versetzungen ein wandert, die nach der Reckung in wesentlich hoherer Konzentration vorhan den sind als vorher. Es findet demnach keine Ausscheidung, sondern eine Entmischung statt. HARPER wandte bei seinen Versuchen Reckgrade von 5 bis % 15 an. Ungereckte und gereckte Proben unterscheiden sich also im Zeitgesetz. Nun kann man den Reckgrad, wenn man zunachst von der experimentellen Ver wirklichung absieht, als eine stetig veranderliche GroBe auffassen, wobei % der Reckgrad 0 in diesem Sinne den Grenzfall der ungereckten Probe dar stellt. LaBt man den Reckgrad von Null angefangen wachsen, so ist zu er warten, daB die beiden Zeitgesetze in irgendeiner Form ineinander tiber gehen. Nach den vorstehend erwahnten Versuchsergebnissen muB der Ubergang % im Bereich zwischen 0 und 5 Reckung erfolgen. Es war der Zweck der vor liegenden Untersuchung, diesen Ubergang und die dabei auftretenden Er scheinungen zu studieren. Die Untersuchungen wurden mit Untersttitzung des Ministeriums ftir Wirtschaft und Verkehr des Landes Nordrhein-Westfalen durchgeftihrt, dem wir auch an dieser Stelle unseren Dank aussprechen. Sei te 6 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen II. Versuchsdurchfuhrung Fur die Versuche wurden Drahtproben aus Reinsteisen von 2 mm Durchmesser und 400 mm MeBlange verwandt. Die Proben wurden zunachst 40 min bei 9500 in Wasserstoff spannungsfrei gegluht und bei 8300 in feuchtem Wasserstoff behandelt, urn die vorhandenen kleinen Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte zu beseitigen. Durch eine Gltihung bei 8300 in einem Gemisch aus trockenem Wasserstoff und Toluoldampf wurden die Proben auf verschiedene Gehalte aufgekohlt. SchlieBlich erfolgte noch eine Gluhung bei 1000 , um den Kohlen stoff in Lasung zu bringen und gleichmaBig tiber den zu Proben~uerschnitt verteilen. Dabei wurde Argon als Schutzgas benutzt, da sich herausstellte, daB bei Wasserstoff gelegentlich eine Verspradung auftrat, die bei der Reckung zum Bruch der Probe ftihrte. Nach Beendigung dieser letzten Gltihung wurden die Proben in Wasser abgeschreckt und anschlieBend in einer Zer reiBmaschine mit einer Geschwindigkeit von ungefahr 0,05 mm/sec gereckt. Zur Bestimmung des Reckgrades war die MeBlange vor der letzten Warmebe handlung mit eingeritzten Markierungen in 50 mm Abstand versehen worden. Es war daher maglich, den Reckgrad fur jeden dieser Abschnitte einzeln zu bestimmen und damit die GleichmaBigkeit der Reckung zu prtifen. Proben, bei denen sich starkere Unterschiede zwischen den Abschnitten ergaben, wurden verworfen. Der kleinste Reckgrad, der noch genugend gleichmaBig %. gereckte Proben ergab, betrug 0,25 Der zeitliche Verlauf der Ausscheidung wurde durch Dampfungsmessung be stimmt. Dazu wurden die Proben im Torsionspendel auf die Temperatur von o 38 gebracht, bei der das Dampfungsmaximum des Kohlenstoffs lag. Die erste Messung erfolgte maglichst rasch nach dem Recken. Der Zeitpunkt der Reckung wurde als Nullpunkt der Zeitzahlung genommen. Falls die Versuche, bei einer Auslagerungstemperatur von 380 durchgefuhrt werden solI ten, blieb die Probe wahrend der gesamten Versuchsdauer im Torsionspendel. Bei haherer Auslagerungstemperatur wurde die Probe zwischen den Messungen in ein Oelbad gebracht. Falls eine MeBreihe sich tiber mehrere Tage er streckte, wurde die Probe tiber Nacht unter fltissiger Luft aufbewahrt. Der letzte Dampfungswert vor Eintauchen in die fltissige Luft und der erste nach dem Herausnehmen stimmten stets innerhalb der MeBgenauigkeit tiberein; die Dampfungs-Zeit-Kurven zeigten auch sonst keine UnregelmaBig keit, so daB diese Art der Versuchsunterbrechung keine Starung der Messun gen ergibt. Sei te 7 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen III. Versuchsergebnisse In den Abbildungen 1 und 2 ist der zeitliche Verlauf der Ausscheidung fur die Auslagerungstemperaturen von 38 und 800 C und fur verschiedene Reck % grade zwischen 0 und 5 dargestellt. Die Abszisse gibt den Logarithmus der Zeit, die ~rdinate den Ausscheidungsbetrag W, der aus dem Verlust ero winkel der Dampfung zu Beginn des Versuches und dem Verlustwinkel zur Zeit t nach d cS - o W errechnet wurde. Das wichtigste Merkmal der Ausscheidungskurven schwach gereckter Proben geht bereits aus Abbildung 1 fur 380 Auslagerungstempe ratur hervor. Die Kurven steigen nach einer gewissen Anlaufzeit zunachst flach an, biegen um, um mit starkerer Neigung weiterzulaufen und nahern sich schlieBlich asymptotisch dem Endwert. Bei der hoheren Temperatur von o 80 folgt auf den ersten, schwach geneigten Abschnitt der Kurve eine Zeit, in der die Ausscheidung nahezu zum stillstand kommt; darauf folgt der zwei te, starker geneigte Abschnitt. Man hat es also mit zwei Vorgangen zu tun, die zeitlich nacheinander ablaufen. Bei hoherer Temperatur setzt der nach folgende Vorgang erst einige Zeit nach dem Ende des vorhergehenden ein, wahrend bei tieferer Temperatur der zweite Vorgang vor dem Ende des er sten beginnt. Die naheliegende Vermutung, daB der erste Vorgang das Einwandern von Kohlen stoffatomen in Versetzungen, der zweite die Karbidausscheidung ist, wird durch Bestimmung des Exponenten n fur die beiden Kurvenabschnitte besta tigt. Man erhalt n in bekannter Weise, indem man die Gleichung (1) zwei- mal logarithmiert, was auf log In _1_ _ - n 10g7: + n log t 1-W - 1 fuhrt, und log In 1-W gegen log t auftragt. Man erhalt dann n als Steigung der gradlinigen Teile dieser Kurve. Die gefundenen Werte fur n mussen noch einer Berichtigung unterzogen werden, um sie auf den Endwert des be treffenden Abschnittes zu beziehen. Diese A12swertung ergab fur den ersten Abschnitt Zahlenwerte fur n um 0,7, fur den zweiten 1,2 ~ n ~ 1,4. Seite 8 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen % Die Ausscheidungskurven fur 0 und 5 Reckgrad in den Abbildungen 1 und 2 % bestehen je aus nur einem Abschnitt. Bei 0 (ungereckt) ist n im Mittel % gleich 1,4, man hat also die reine Karbidausscheidung vor sich. FUr 5 Reckgrad ist n = 0,64, der sich abspielende Vorgang also die Diffusion des Kohlenstoffs zu den Versetzungen. Diese beiden Grenzfalle stimmen mit den einleitend genannten Versuchsergebnissen anderer Verfasser uberein. Betrachtet man die Veranderungen, die die Ausscheidungskurve bei Steigerung % des Reckgrades erleidet, so ist bemerkenswert, daB schon fur 0,25 Reckung (Abb. 1) der erste Abschnitt deutlich in Erscheinung tritt, und die Kurve % gegenuber der fur 0 erhaltenen zu kurzeren Zeiten hin verschoben ist. Bei weiterer Steigerung des Reckgrades verkurzt sich die Zeit weiterhin und der Ubergang zwischen den beiden Abschnitten verschiebt sich zu hohe % rem Ausscheidungsbetrag W hin, bis bei 5 Reckgrad der Ubergang verschwun den ist. Bei 800 Auslagerungstemperatur (Abb. 2), bei der das Ende des Einwande rungsvorganges von Kohlenstoff in die Versetzungen zu beobachten ist, gibt der dann erreichte Ausscheidungsbetrag W1 in Verbindung mit dem Gesamt kohlenstoffgehalt der Probe ein MaB fur die Menge des von den Versetzungen aufgenommenen Kohlenstoffs. Kennt man auBerdem die Versetzungskonzentra tion L (cm/cm3) der Probe, so laBt sich daraus die Anzahl m der Kohlen stoffatome bestimmen, die je Netzebene auf eine Versetzungslinie entfal len. Ist A= 2,28.10-8 ein Mittelwert fur den Netzebenenabstand langs ei 3 ner Versetzungslinie, so ist die Anzahl der Kohlenstoffatome, die im cm 3 in den Versetzungen untergebracht werden konnen mL/A • Die im cm Fe bei % p Kohlenstoffgehalt vorhandene Anzahl Kohlenstoffatome ist p ~ L /100 o A , wenn q die Dichte des Eisens, A das Atomgewicht des Kohlenstoffs und c c L die LOSCHMIDTsche Zahl bezeichnet. Damit wird o L m p 'lA. 0 100 A L c Die Versetzungskonzentration L laBt sich aus der Zeitkonstanten ~ 1 des Ausscheidungsgesetzes fur den ersten Abschnitt (Exponent n = 2/3) bestim men. Nach A.H. COTTRELL [7J ist namlich Sei te 9 Forschlingsberichte des Wirtschafts- lind Verkehrsministerilims Nordrhein-Westfalen 1 3 1.1.0 al 0,8 r-. -'-' <J) ,.c 0,6 Ul 1.1.0 s:: ;j 'U 0, .~ OJ ..s:: <:) Ul Ul ;j <G ° 102 Zeit t in min A b b i 1 dun g 1 Ausscheidungskurven bei 380C Auslagerungstemperatur % fur verschiedene Reckgrade von Obis 4,9 a Auslagerungstemperatur: 38 C % % % % Reckgrad C Reckgrad C ~ 0 0,015 ......---.2,5 0,014 , 25 0, 01 8 .---. 3 , 1 0, 01 7 ~O 6-----11,2 0,017 It----i(4,9 0,015 1 0,8;-------------~~----~t.-4 1.1.0 CIl r-. +' OJ O,~----~c-----~~------~~~~------------~--+_--nf----------------~ ,.c Ul 1.1.0 § 0,4·~~L---~~~-------i~~------~~------~------------------~ 'U .~ OJ ~ 0, 2~~~~--~~~~~--~~~==~----~~~_+------------------~ Ul Ul ::s <G 10 Zeit t i n min A b b i 1 dun g 2 Ausscheidungskurven bei 800C Auslagerungstemperatur % fur verschiedene Reckgrade von Obis 5,2 a Auslagerungstemperatur 80 C % % % % Reckgrad C Reckgrad C 0 0,016 A----43,0 0,017 0--Q +---+ 0 , 9 0, 01 2 ~4 , 0 0,016 Y----r 2 , 6 0 , 01 5 ~5 , 2 0,013 Seite 10
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