Ein ZTU-Diagramm (Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild) zeigt, welche Gefüge in einem Stahl entstehen, wenn er nach dem Austenitisieren auf eine bestimmte Weise abgekühlt wird. Es ist ein zentrales Werkzeug für die Wärmebehandlung, zum Beispiel beim Härten und Vergüten, und eine wichtige Eingangsgröße für die Simulation von Wärmebehandlungsprozessen.
Was ein ZTU-Diagramm zeigt
Ein ZTU-Diagramm beschreibt die Gefügeentwicklung eines einzigen Werkstoffs bei unterschiedlichen Zeit-Temperatur-Verläufen. Die Temperatur ist senkrecht, die Zeit waagerecht und meist logarithmisch aufgetragen. Eingetragen werden Beginn und Ende der Umwandlungen, die entstehenden Gefüge und häufig die erreichte Härte.
Zu einem vollständigen ZTU-Diagramm gehören außerdem Angaben zum Werkstoff einschließlich der chemischen Zusammensetzung der untersuchten Schmelze, zum Ausgangsgefüge und zu den Austenitisierungsbedingungen. Ohne diese Angaben lässt sich ein Diagramm nicht sicher einordnen.
Ermittelt werden ZTU-Diagramme meist mit einem Abschreckdilatometer: Die Längenänderung einer Probe zeigt, wann eine Umwandlung beginnt und endet. Welches Gefüge entstanden ist und in welchem Anteil, wird anschließend metallographisch bestimmt.
Kontinuierliches und isothermes ZTU-Diagramm
Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Arten, die streng getrennt betrachtet werden müssen:
- Kontinuierliches ZTU-Diagramm: Die Probe wird nach dem Austenitisieren mit unterschiedlichen Abkühlverläufen bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Diagramm enthält die zugehörigen Abkühlkurven. Es passt zu Prozessen, bei denen ein Bauteil durchgehend abkühlt, etwa an Luft, in Öl oder in Wasser.
- Isothermes ZTU-Diagramm: Die Probe wird nach dem Austenitisieren sehr schnell auf eine Temperatur abgekühlt und dort gehalten, bis die Umwandlung abgeschlossen ist. Es passt zu Prozessen mit Haltestufe, zum Beispiel einer isothermen Umwandlung in der Bainitstufe.
Ein isothermes Diagramm lässt sich nicht einfach auf eine kontinuierliche Abkühlung übertragen und umgekehrt.
Die Gefüge im ZTU-Diagramm
Je nach Abkühlung wandelt der Austenit in unterschiedliche Gefüge um:
- Ferrit und Perlit entstehen bei langsamer Abkühlung bzw. hohen Umwandlungstemperaturen durch diffusionsgesteuerte Umwandlung. Perlit besteht aus Ferrit und Zementit.
- Bainit (Zwischenstufengefüge) entsteht bei Temperaturen und Abkühlgeschwindigkeiten zwischen denen für Perlit und Martensit. Hier wirken Diffusion und Umklappvorgänge im Kristallgitter zusammen.
- Martensit entsteht bei schneller Abkühlung unterhalb der Martensitstarttemperatur Ms. Die Umwandlung verläuft diffusionslos durch eine Scherbewegung im Gitter. Martensit ist metastabil und bei ausreichendem Kohlenstoffgehalt sehr hart.
Neben diesen Gefügen können je nach Stahl weitere Bestandteile auftreten, zum Beispiel Restaustenit oder Karbide.
So liest man ein kontinuierliches ZTU-Diagramm
- Rahmenbedingungen prüfen: Werkstoff, Zusammensetzung der untersuchten Schmelze und Austenitisierungsbedingungen mit dem eigenen Fall vergleichen.
- Kennlinien finden: Oben sind meist die beim Erwärmen ermittelten Umwandlungstemperaturen Ac1 und Ac3 als waagerechte Linien eingezeichnet, unten die Martensitstarttemperatur Ms. Dazwischen liegen die Bereiche für Ferrit, Perlit und Bainit.
- Nur entlang einer Abkühlkurve lesen: Ein kontinuierliches Diagramm darf nur entlang der eingezeichneten Abkühlkurven gelesen werden. Wo eine Kurve in einen Bereich eintritt oder ihn verlässt, beginnt bzw. endet die jeweilige Umwandlung.
- Gefügeanteile und Härte ablesen: Die Zahlen entlang der Kurve geben üblicherweise den Anteil des jeweiligen Gefüges in Prozent an. Am Ende der Kurve steht häufig die erreichte Härte.
- Abkühlverlauf zuordnen: Die Abkühlung des eigenen Bauteils wird mit den eingezeichneten Kurven verglichen. Das Ergebnis ist eine Abschätzung, keine exakte Vorhersage.
Ein isothermes Diagramm liest man dagegen waagerecht: Auf Höhe der Haltetemperatur zeigen die Linien, nach welcher Haltezeit die Umwandlung beginnt und endet.
Grenzen von ZTU-Diagrammen
- Gilt nur für einen Werkstoff: Ein ZTU-Diagramm gilt streng nur für die untersuchte Zusammensetzung und den jeweiligen Austenitisierungszustand. Schon Unterschiede innerhalb der zulässigen Analysengrenzen einer Stahlsorte oder eine andere Austenitisierungstemperatur können das Umwandlungsverhalten verändern.
- Probe ist nicht Bauteil: Die Abkühlkurven gelten für kleine Proben. In einem realen Bauteil kühlen Rand und Kern unterschiedlich schnell ab, sodass an verschiedenen Stellen unterschiedliche Gefüge entstehen können.
- Vorgeschichte zählt: Eine Umformung vor der Abkühlung beeinflusst das Umwandlungsverhalten. Dafür gibt es eigene Umform-ZTU-Diagramme. Für das Schweißen gibt es Schweiß-ZTU-Diagramme, für das Erwärmen ZTA-Diagramme (Zeit-Temperatur-Austenitisierung).
ZTU-Daten finden und berechnen
Gemessene ZTU-Diagramme sind in Sammlungen veröffentlicht. Die ZTU-Daten in StahlDat SX umfassen über 400 Diagramme auf Basis des Atlas zur Wärmebehandlung des VDEh. Sie lassen sich nach Phasenzusammensetzung bei verschiedenen Austenitisierungstemperaturen durchsuchen und tabellarisch vergleichen. Die Stahlsorten sind dort über Werkstoffnummer und Kurzname auffindbar.
Wenn für eine Zusammensetzung kein gemessenes Diagramm vorliegt, hilft die Werkstoffsimulation: JMatPro® berechnet kontinuierliche und isotherme ZTU-Diagramme sowie ZTA-Diagramme und damit auch Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit von Abkühl- und Aufheizrate. In EDA MM lassen sich mehrdimensionale Daten wie ZTU-Diagramme visualisieren und im Werkstoffdatenmanagement gemeinsam mit Prüf- und Prozessdaten verwalten.
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