�������������������������������������������������������������������������������������������������������� ����������������� ����������������� ����������������� ����������������� ����������������� ����������������� ����������������� ���������
�������������������� ��������������������������������� ��������������������������������� ��������������������������������� ��������������������������������� ��������������������������������� ��������������������������������� ��������������������������������� �������������
2. Thermo-Calc & DICTRA AnwendertreffenAachen, 24.-25. Juni 2004
G. Pariser, W. Bleck
Institut für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen
Vielen Dank an Prof. Mats Hillert für die wertvolle Diskussionwährend seines Aufenthaltes in Aachen im Januar 2004!
Übersicht Institut für Eisenhüttenkunde
Institut für EisenhüttenkundeInstitut für Eisenhüttenkunde
Arbeitsgebiet und aktuelle Forschungsschwerpunkte:Arbeitsgebiet und aktuelle Forschungsschwerpunkte:Lehre und Forschung auf dem Gebiet der Eisen- und StahlwerkstoffeErarbeitung neuer Produktionsverfahren für die StahlherstellungEntwicklung neuer Werkstoffe mit verbesserten EigenschaftenVorhersagen des Verhaltens von Stahlbauteilen
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. W. BleckWerkstofftechnik: Prof. Dr.-Ing. W. Bleck
Metallurgie von Eisen und Stahl: Prof. Dr.-Ing. D. SenkAkademischer Rat.: Dr.-Ing. G. Heßling
Personal:Personal:2 Professoren 6 Auszubildende49 wissenschaftliche Mitarbeiter (9 Planstellen) 65 studentische Hilfskräfte45 nichtwissenschaftliche Mitarbeiter (27 Planstellen) 10 StipendiatenDrittmittel:Drittmittel:ca. 3-4 Mio. €/Jahr
Struktur des Institutes fürEisenhüttenkunde
Ressourcen Energie & Umwelt
Metallurgie
METALLURGIE VON EISEN UND STAHL
Univ.-Prof. Dr.-Ing. D. Senk(Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.-W. GudenauUniv.-Prof. Dr.-Ing. T. El Gammal)
WERKSTOFFTECHNIK
Univ.-Prof. Dr.-Ing. W. Bleck(Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing. e.h. W. Dahl)
Werkstoff-eigenschaften und
-anwendung
Bauteilsicherheitund
Bruchmechanik
Oberflächen-technik undKorrosion
Werkstoff-behandlung und
ProzesssimulationRecycling
Institut für EisenhüttenkundeInstitutsleiter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. W. Bleck
Stellvertreter: Dr.-Ing. G. Heßling
Rheinisch-Westfäl ischeTechnischeHochschuleAachen
Gliederung
1. Die voreutektoide Ferritausscheidung1. Die voreutektoide Ferritausscheidung
2. Einfluss substitutioneller Legierungselemente
3. Umwandlung einer binären und einer technischen Legierung
γγ + α
α + Fe3C
Fe C
Mn
Cu Ni Cr
Fe C
Das metastabile Fe-Fe3C Diagramm
VoreutektoidVoreutektoid
UntereutektoidUntereutektoid ÜbereutektoidÜbereutektoid
Carbon mass contentCarbon mass content, %, %
Tem
pera
ture
Tem
pera
ture
, °C
, °C
Tem
pera
tur,
°C
Massengehalt an Kohlenstoff, %
Ferrit + Zementit
Austenit
950
5000 1.0
a)
b)c)d)
Ferrit + Austenit
Ferrit
Schematische Darstellung deruntereutektoiden Austenitumwandlung
Voreutektoide Ferritausscheidung
GleichgewichtGleichgewicht
C-C-GradientGradient fürfür TTtt
AustenitstabilisierendeAustenitstabilisierendeElementeElemente
FerritstabilisierendeFerritstabilisierendeElementeElemente
Quelle: Quelle: BérangerBéranger, G.; Henry, G.; , G.; Henry, G.; SanzSanz, G.: , G.: The Book The Book of Steel, of Steel, Lavoisier PublishingLavoisier Publishing, Paris, 1996, Paris, 1996
Gliederung
1. Die voreutektoide Ferritausscheidung
2. Einfluss substitutioneller2. Einfluss substitutioneller Legierungselemente Legierungselemente
3. Umwandlung einer binären und einer technischen Legierung
γγ + α
α + Fe3C
Fe C
Mn
Cu Ni Cr
Fe C
αααα
γγγγ
Wirkung von substitutionellenLegierungselementen: Fe-C-X
Local equilibrium
Paraequilibrium
Quasi-Paraequilibrium
Local equilibrium (LE)
Umverteilung von C und X,dadurch „langsame“ Umwandlung,Randbedingungen:
αγγα /C
/C µµ = αγγα /
X/
X µµ =
Quelle: Inden, G.; Hutchinson, C.R.: Interfacial Conditions at the Moving Interface During Growth of Ferrite from Austenite in Fe-C-(X) Alloys, in:Austenite Formation and Decomposition, E.B. Damm, M.J. Merwin (edts.), The Minerals, Metals & Materials Society, Warrendale, 2003
Local equilibrium negligible partitioning (LENP)Quasi-Paraequilibrium
Höhere Übersättigung, C im Gleichgewichtkeine weitreichende Umverteilung von X,dadurch „schnelle“ Umwandlung
Paraequilibrium (PE)
C im Gleichgewicht, X „bewegungslos“,keine Umverteilung,Randbedingungen:
C/
C/ µµ αγγα =
γααγαααγγαγγ /FeFe
/XX
/FeFe
/XX µuµuµuµu +=+
Ermittlung desQuasi-Paragleichgewichtes
Quelle: Hillert, M.: Solute Drag, Solute Trapping and Diffusional Dissipation of Gibbs Energy, Acta mater. Vol.47 (1999) No.18, p. 4481/505, Hillert, M.: Phase Equilibria, Phase Diagrams and Phase Transformations, Cambridge University Press, Cambridge, 1998
uMn0
1
acγ, const.
2
3
αααα
γγγγFür uMn
0 läßt sich im Gleichgewicht eine Konode zwischen α und γ finden
11
Die Isoaktivitätslinie für C in γwird in das Zwei-Phasengebietα und γ verlängert
22
Der Schnittpunkt mit uMn0
entspricht dem Grenzwert für C im Quasi-Para-gleichgewicht
33
Berechnung desQuasi-Paragleichgewichtes
uMn0
1
acγ, const.
2
3
αααα
γγγγ
Für uMn0 läßt sich im
Gleichgewicht eine Konode zwischen α und γ finden
11
Die Isoaktivitätslinie für C in γwird in das Zwei-Phasengebietα und γ verlängert
22
Der Schnittpunkt mit uMn0
entspricht dem Grenzwert für C im Quasi-Para-gleichgewicht
33
Calculate µ(C)
Input: w(Mn), T, P
Change status:- BCC fixed 1- FCC fixed 0
Calculate w(C) Change status:- BCC suspended- FCC fixed 1
Enter datapointinto graph
New
w(M
n)
Data points
End
enough
too less
11
22
33
„Partitioned“ und „unpartitionedGrowth“ in einer Fe-C-Mn Legierung
Quelle: Oi, K.; Lux, C.; Purdy, G.R.: A Study of the influence of Mn and Ni on the Kinetics of the Proeutectoid Ferrite Reaction in Steels,Acta mater. 48 (2000), p. 2147/55
Fe-0.217%C-2.17%Mn
1200°C, 300s / 700°C, 3600s 1200°C, 300s / 670°C, 3600s
Grenze zwischen „partitioned“ und„unpartitioned Growth“ - Fe-C-Mn
Quelle: Oi, K.; Lux, C.; Purdy, G.R.: A Study of the influence of Mn and Ni on the Kinetics of the Proeutectoid Ferrite Reaction in Steels,Acta mater. 48 (2000), p. 2147/55
ExperimentelleGrenze zw. „partitioned“ und „unpartitioned“
Es gibt eine Grenze zwischen „partitioned“ und „unpartitioned“Growth
Die Grenze liegt weit unter demParagleichgewicht, aberoberhalb des Quasi-Para-gleichgewichtes
Isotherme Haltezeit: 1h2% Mn
Annahme:Solute-Drag, ausgelöst durchdie Diffusion von X in derPhasengrenze
Grenze zwischen „partitioned“ und„unpartitioned Growth“ - C45
Isotherme Haltezeit: 1h
Rand-ent-kohlung
725°C, 2h:(F+)M
690°C, 1h:F+M
650°C, 80s:F+P
Gliederung
1. Die voreutektoide Ferritausscheidung
2. Einfluss substitutioneller Legierungselemente
3. Umwandlung einer binären und 3. Umwandlung einer binären und einer technischen Legierung einer technischen Legierung
γγ + α
α + Fe3C
Fe C
Mn
Cu Ni Cr
Fe C
Verschiedene DICTRA-Modellezur Simulation der Phasenumwandlung
Spärisch, Innen Planar Sphärisch, Aussen
Einzelne Keime, Keimbildung
Zusammenwachsender Keime
Zur Abschätzung der Strecke x muss die Ferrit-Keimdichte bekannt sein!
Berechnung des Radiusder Austenitzelle
Experimentelle Bestimmung der Keimdichte NV [mm-3]
Die Zellgröße der Austenitzelle soll die Keimdichte wiederspiegeln:
3
33
43
431
34
1
V
VVAustenit
VAustenit
Nr
Nr
NrV
NV
π
ππ
=⇔
=⇔==⇔
=
Quelle: Zurek, C.: Dr.-Ing. thesis, Aachen 1993
Beispiel: NV=210mm-3 , r=101µm
Chemische Analyse deruntersuchten Legierungen
* Quelle: Zurek, C.: Dr.-Ing. thesis, Aachen 1993
Gute Übereinstimmung!
Ausscheidungen möglich:MnS, AlN, M(C,N)
Hoher Gehalt an substitutionellenLegierungselementen
Steel Fe-0,51%C C45C 0,51 0,49Si 0,011 0,307Mn < 0,001 0,710P 0,001 0,015S 0,001 0,032Cr <0,003 0,180Al 0,001 0,019Mo - 0,016Ni - 0,189Co - 0,009Cu - 0,2258Nb - < 0,001Ti - 0,0022V - 0,0039W - 0,0175N 0,0004 0,008
*
Berechnung der Umwandlung in einerbinären Legierung: Fe-0,51%C
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05
Time, s
Vol
ume
frac
tion
ferr
ite
ExperimentPlanarSpherical, insideSpherical, outside
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05
Time, sV
olum
e fr
actio
n fe
rrite
ExperimentNV=372/mm³NV=210/mm³NV=110K/mm³
Fe-0,51%C, Austenitisierung: 1200°C/900s, Isotherme Haltetemperatur: 749°C
Modellvergleich, NV=210mm-3 Modell Sphärisch,InnenEinfluss der Keimdichte
Experimentelle Daten aus Zurek, C.: Dr.-Ing. thesis, Aachen 1993
Berechnung der Umwandlung in einertechnischen Legierung: C45
Fe-CFe-C-Si-Mn
Experiment
LE
Quasi-PE
C45, Austenitisierung: 1200°C/600s, Isotherme Haltetemperatur: 725°C
11d >3y >300y
Experimentelle Keimdichte:NA=77mm-2
Daraus bestimmter Radiusfür die Austenitzelle:
65µm
Modell Sphärisch,Innen
Zusammenfassung
Verwendete Programmversionen / Datenbanken:TC-P, TCFE2 - DICTRA V22, Mob2
Die voreutektoide Ferritausscheidung ist vor allem für die Stahlentwicklung interessant.
Im Vergleich zu einer binären Fe-C Legierung üben die substitutionellenLegierungselemente einen starken Einfluss auf die Ferritausscheidung aus.Verschiedene Mechanismen sind denkbar: LE, Quasi-PE / LENP und PE.
Neben LE und PE kann auch das Quasi-PE / LENP mit Thermo-Calcberechnet werden. Die experimentelle Grenze für „partitioned“ und„unpartitioned Growth“ liegt jedoch höher.
Mit DICTRA kann die voreutektoide Ferritausscheidung mit einem sphärischenModell berechnet werden. Die Größe der Austenitzelle wird dazu aus der Ferritkeimdichte ermittelt, die experimentell bestimmt werden muss.
Für die binäre Legierung ergibt sich eine sehr gute Übereinstimmung vonExperiment und Rechnung. Die technische Legierung wird mit einer Rechnung mit den Elementen Fe-C-Si-Mn tendenziell gut beschrieben.
