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Stahlgefüge und Wärmebehandlung – Temperaturverläufe dokumentieren

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Einleitung

Stahlgefüge und Wärmebehandlung – Temperaturverläufe dokumentieren

Du lernst, wie Du Zeit-Temperatur-Verläufe bei der Wärmebehandlung von Stahl liest, dokumentierst und auf Plausibilität prüfst. Im Mittelpunkt stehen kurze Lerneinheiten, Messwerte und ein betrieblicher Ausbildungsfall.

Zielgruppe: Ausbildung in Metalltechnik, Werkstofftechnik, Instandhaltung und Produktion

Kurzbeschreibung: Zeit-Temperatur-Kurven und Prozessüberwachung

Sicherheitsregel für den gesamten Kurs: Heiße Werkstücke, Öfen, offene Flammen, Abschreckmedien, Prozessgase, Abgase und brennbare Rückstände können schwere Verletzungen, Brände, Explosionen oder Vergiftungen verursachen. Praktische Demonstrationen dürfen nur fachlich angeleitet und nach betrieblicher Gefährdungsbeurteilung durchgeführt werden. Keine unbeaufsichtigten Versuche.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du einen Temperaturverlauf in die Phasen Aufheizen – Halten – Abkühlen gliedern, Messwerte mit einem Sollfenster vergleichen, Abweichungen erkennen und erklären, warum Temperatur und Zeit das Gefüge beeinflussen.

Du kannst außerdem typische Gefahren einer Wärmebehandlungsanlage benennen und weißt, dass Freigaben, Absaugung, Gasüberwachung, Brandschutz und geeignete persönliche Schutzausrüstung Teil des Prozesses sind.

Kurze Lerneinheit 1: Gefüge erkennen

Stahlgefüge beschreibt die räumliche Anordnung von Phasen und Gefügebestandteilen. Bei der Wärmebehandlung sind besonders Austenit, Ferrit, Perlit, Bainit und Martensit wichtig.

Perlit besteht aus Ferrit und Zementit. Seine lamellenartige Struktur wird im Mikroskop sichtbar.

Martensit kann beim schnellen Abkühlen geeigneter Stähle aus Austenit entstehen. Er ist hart, aber ein ausschließlich gehärteter Zustand kann sehr spröde sein. Deshalb folgt in vielen technischen Anwendungen ein gezieltes Anlassen.

Mini-Check

Ordne gedanklich zu:

Perlit: entsteht bei langsameren diffusionsgesteuerten Umwandlungen
Martensit: entsteht bei ausreichend schneller Abkühlung aus Austenit
Anlassen: beeinflusst Eigenschaften eines zuvor gehärteten Stahls

Kurze Lerneinheit 2: Temperatur und Gefüge

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zeigt Gleichgewichtsbereiche in Abhängigkeit von Temperatur und Kohlenstoffgehalt. Für einen konkreten Wärmebehandlungsprozess reicht dieses Diagramm allein jedoch nicht aus, weil auch die Zeit und die Abkühlgeschwindigkeit entscheidend sind.

Die Umwandlungen eines bestimmten Stahls werden deshalb häufig zusätzlich mit einem ZTU-Diagramm betrachtet.

Merksatz

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zeigt vor allem das Gleichgewicht. Ein ZTU-Diagramm ergänzt die Zeitabhängigkeit der Umwandlung für einen bestimmten Werkstoffzustand.

Kurze Lerneinheit 3: Zeit-Temperatur-Kurven lesen

Eine Prozesskurve lässt sich in drei Abschnitte zerlegen:

Aufheizen: Temperatur steigt
Halten: Temperatur bleibt in einem vorgegebenen Bereich
Abkühlen: Temperatur fällt mit einer für den Prozess wichtigen Geschwindigkeit

Ein ZTU-Schaubild darf nur für den Werkstoff und die Bedingungen verwendet werden, für die es erstellt wurde. Isotherme und kontinuierliche ZTU-Schaubilder sind nicht austauschbar.

So liest Du eine Kurve

Prüfe zuerst die Achsen. Suche dann die Aufheizphase, das Temperaturfenster, die Haltezeit und die Abkühlphase. Vergleiche anschließend den Ist-Verlauf mit der Arbeitsanweisung. Eine Abweichung ist erst dann bewertet, wenn auch Messstelle, Sensor, Bauteilgeometrie und Werkstoff berücksichtigt wurden.

Kurze Lerneinheit 4: Temperatur messen und dokumentieren

In industriellen Anlagen werden Temperaturen zum Beispiel mit Thermoelementen, Widerstandsthermometern oder berührungslosen Messsystemen erfasst. Messwerte können durch Steuerung oder Datenlogger gespeichert werden.

Eine gute Dokumentation enthält mindestens Zeitstempel, Messstelle, Temperatur, Sollwert beziehungsweise Sollbereich, Anlagenstatus und auffällige Ereignisse.

Messwertansicht: Ausbildungsfall

Hinweis: Die folgenden Werte sind ein simulierter Datensatz für die Ausbildung. Sie sind keine Arbeitsanweisung für eine reale Wärmebehandlung.

Zeit ab Start	Temperatur Messstelle Bauteil	Prozessphase	Anzeige
0 min	24 °C	Start	bereit
4 min	390 °C	Aufheizen	steigend
8 min	720 °C	Aufheizen	steigend
12 min	844 °C	Übergang	Sollfenster erreicht
16 min	852 °C	Halten	stabil
20 min	863 °C	Halten	Warnung
22 min	851 °C	Halten	stabil
24 min	610 °C	Abkühlen	fallend
30 min	310 °C	Abkühlen	fallend
45 min	120 °C	Abkühlen	fallend

Trendbild: ▁ ▃ ▆ █ █ █ ▅ ▃ ▂

Ausbildungsfall: Prozessüberwachung einer Welle

In einer Härterei wird eine Welle aus einem Vergütungsstahl wärmebehandelt. Du arbeitest nicht selbst am heißen Werkstück, sondern wertest unter Anleitung die aufgezeichneten Messwerte aus.

Die betriebliche Übungsunterlage nennt für die simulierte Haltephase ein Sollfenster von 840 °C bis 860 °C. Bei Minute 20 zeigt die Messstelle 863 °C.

Dein Auftrag: Erkenne die Abweichung, dokumentiere sie sachlich und entscheide nicht eigenmächtig über die weitere Prozessführung. Die Freigabe erfolgt durch die zuständige Fachkraft.

Gestufte Hilfen

Hilfe 1: Teile die Kurve in Aufheizen, Halten und Abkühlen.

Hilfe 2: Vergleiche jeden Messwert der Haltephase mit dem Sollfenster.

Hilfe 3: Eine Temperatur außerhalb des Sollfensters ist eine Abweichung. Prüfe anschließend, ob der Wert plausibel ist und ob gleichzeitig Sensor- oder Anlagenmeldungen vorliegen.

Hilfe 4: Dokumentiere Beobachtung, Zeitpunkt, Messstelle und Reaktion getrennt. Schreibe nicht „Werkstück fehlerhaft“, solange das nicht geprüft wurde.

Muster einer sachlichen Dokumentation

Feld	Eintrag
Zeitpunkt	Minute 20
Messstelle	Bauteilfühler
Istwert	863 °C
Sollbereich	840 °C bis 860 °C
Beobachtung	oberhalb des Sollbereichs
Reaktion	Meldung an zuständige Fachkraft und Prüfung der Aufzeichnung
Bewertung	erst nach fachlicher Prüfung

Kurze Lerneinheit 5: Härten, Abschrecken und Anlassen

Beim Härten wird ein geeigneter Stahl austenitisiert und anschließend so abgekühlt, dass ein hoher Martensitanteil entstehen kann. Die tatsächlich nötigen Temperaturen und Abkühlbedingungen hängen vom Werkstoff, Bauteil und Verfahren ab.

Das Anlassen folgt häufig auf das Härten. Es verändert Härte, Zähigkeit und Eigenspannungen.

Kurze Lerneinheit 6: Abkühlgeschwindigkeit und Härtbarkeit

Nicht jede Stelle eines Bauteils kühlt gleich schnell ab. Rand, Kern, Querschnitt, Werkstoff und Abschreckmedium beeinflussen den Temperaturverlauf.

Der Stirnabschreckversuch nach Jominy macht sichtbar, wie sich die erreichbare Härte mit der Entfernung von der abgeschreckten Stirnseite verändert.

Sicherheit: Heiße Werkstoffe, Feuer, Abgase und Prozessgase

Heiße Werkstoffe: Auch ein dunkel erscheinendes Werkstück kann noch gefährlich heiß sein. Berührung, Wärmestrahlung und herabfallende Teile können Verbrennungen verursachen. Temperaturzustand und sichere Ablage müssen eindeutig gekennzeichnet sein.

Feuer und Brandgefahr: Heiße Teile, brennbare Abschreckmedien, Ölreste und Ablagerungen können Brandgefahren erzeugen. Löschmittel und Maßnahmen richten sich nach der betrieblichen Brandschutzordnung. Keine improvisierte Brandbekämpfung.

Abgase und Rauch: Gasbeheizte Öfen und Abschreckprozesse können Verbrennungsprodukte, Dämpfe oder Rauch freisetzen. Technische Absaugung und ausreichende Lüftung müssen wirksam sein.

Prozessgase: Gase in Wärmebehandlungsanlagen können Sauerstoff verdrängen, brennbar oder giftig sein. Leckagen sind ein Fall für die betriebliche Notfallorganisation. Gaswarnsysteme und Zutrittsregeln sind zu beachten.

Praktische Ausbildung: Arbeiten an Öfen, Brennern, Abschreckbädern und heißen Werkstücken erfolgen nur nach Unterweisung, Gefährdungsbeurteilung und unter unmittelbarer fachlicher Anleitung. Keine unbeaufsichtigten Versuche.

Sicherheitsentscheidung

Wenn ein Temperaturtrend ungewöhnlich ist, eine Gaswarnung auftritt, starke Rauchentwicklung sichtbar wird oder ein Brandverdacht besteht, hat die Prozessleistung keine Priorität. Du hältst Dich an die betriebliche Alarm- und Notfallregelung und informierst die zuständige Fachkraft.

Übungsstaffel mit begründetem Feedback

Basisaufgabe

Aufgabe: Markiere im simulierten Messprotokoll die Phase, in der der Wert 863 °C auftritt.

Lösung: Haltephase.

Begründetes Feedback: Richtig ist die Haltephase, weil die Temperatur vorher bereits das Sollfenster erreicht hat und die Kurve in diesem Abschnitt weitgehend konstant verläuft. Die Prozessphase ist entscheidend, weil dieselbe Temperatur während des Aufheizens anders bewertet werden kann.

Anwendungsaufgabe

Aufgabe: Formuliere einen geeigneten Protokolleintrag für Minute 20.

Musterlösung: „Bauteilfühler Minute 20: 863 °C, Sollbereich 840 °C bis 860 °C, obere Grenze überschritten, zuständige Fachkraft informiert.“

Begründetes Feedback: Die Formulierung trennt Messwert, Sollwert und Reaktion. Sie vermeidet eine voreilige Aussage zur Bauteilqualität.

Transferaufgabe

Aufgabe: Der Ofenfühler zeigt 852 °C, der Bauteilfühler gleichzeitig 790 °C. Welche Schlussfolgerung ist fachlich sinnvoll?

Musterlösung: Die Messstellen zeigen unterschiedliche thermische Zustände. Vor einer Freigabe müssen Sensorfunktion, Messposition und Durchwärmung geprüft werden.

Begründetes Feedback: Ein einzelner Ofenwert beweist nicht, dass das Bauteil selbst die gleiche Temperatur erreicht hat. Prozessüberwachung muss Messort und Messaufgabe berücksichtigen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wofür steht ein ZTU-Diagramm? (Für die zeit- und temperaturabhängige Gefügeumwandlung eines Werkstoffs) (!Für die elektrische Leitfähigkeit einer Maschine) (!Für die Länge eines Werkstücks) (!Für die Farbe eines Abschreckbads)

Welche drei Phasen sind für eine typische Prozesskurve besonders wichtig? (Aufheizen Halten Abkühlen) (!Sägen Bohren Feilen) (!Messen Wiegen Verpacken) (!Schmieden Fräsen Polieren)

Was ist bei einer Temperatur außerhalb des Sollfensters zuerst zu tun? (Abweichung sachlich erfassen und nach Vorgabe melden) (!Den Messwert löschen) (!Die Anlage ohne Freigabe umstellen) (!Das Werkstück sofort anfassen)

Welche Größe ergänzt das ZTU-Diagramm gegenüber einer reinen Gleichgewichtsbetrachtung besonders? (Zeit) (!Masse) (!Farbe) (!Länge)

Welches Gefüge kann bei ausreichend schneller Abkühlung aus Austenit entstehen? (Martensit) (!Graphit) (!Messing) (!Bronze)

Warum wird ein gehärteter Stahl häufig angelassen? (Um die Gebrauchseigenschaften gezielt einzustellen) (!Um den Stahl in Aluminium umzuwandeln) (!Um den Kohlenstoff vollständig zu entfernen) (!Um jede Messung überflüssig zu machen)

Was speichert ein Datenlogger bei der Prozessüberwachung? (Messwerte mit zeitlichem Bezug) (!Nur Werkstücknamen) (!Nur Zeichnungen) (!Nur Lieferadressen)

Was ist bei Prozessgasen eine mögliche Gefahr? (Sauerstoffverdrängung) (!Vergrößerung des Werkstücks durch Magnetismus) (!Sofortige Rostfreiheit) (!Automatische Kühlung ohne Energie)

Was gilt für praktische Wärmebehandlungsversuche in der Ausbildung? (Nur fachlich angeleitet und nach Sicherheitsvorgaben) (!Immer allein durchführen) (!Ohne Unterweisung beginnen) (!Sicherheitsregeln nur bei sichtbarer Flamme beachten)

Welche Aussage zu einem einzelnen Temperaturwert ist richtig? (Der Messort muss bei der Bewertung berücksichtigt werden) (!Jeder Fühler zeigt immer exakt die Kerntemperatur) (!Ein Ofenwert ersetzt jede Bauteilmessung) (!Der Zeitpunkt spielt keine Rolle)

Memory

Austenit	Hochtemperaturphase
Martensit	Abschreckgefüge
Perlit	Lamellengefüge
Thermoelement	Temperaturfühler
Datenlogger	Messwertspeicher
Toleranzband	ZulässigerBereich

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Temperaturfühler	erfasst die Temperatur an einer Messstelle
Datenlogger	speichert Messwerte mit Zeitbezug
ZTU-Diagramm	zeigt zeitabhängige Gefügeumwandlungen
Alarmgrenze	kennzeichnet einen kritischen Überwachungswert
Prozessfreigabe	bestätigt die fachlich geprüfte Weiterführung

Kreuzworträtsel

Austenit	Welche Phase wird beim Härten vor dem Abschrecken angestrebt?
Martensit	Welches harte Gefüge kann beim schnellen Abkühlen entstehen?
Perlit	Welches lamellare Gefüge besteht aus Ferrit und Zementit?
Thermoelement	Welcher Temperaturfühler arbeitet mit thermoelektrischer Spannung?
Datenlogger	Welches Gerät speichert Messwerte über die Zeit?
Abschrecken	Wie heißt das schnelle Abkühlen nach dem Austenitisieren?

LearningApps

Lückentext

Eine Prozesskurve wird häufig in Aufheizen, Halten und

gegliedert. Ein

beschreibt zeit- und temperaturabhängige Gefügeumwandlungen. Bei ausreichend schneller Abkühlung kann

entstehen. Ein

speichert Messwerte mit Zeitbezug. Der Vergleich von Istwert und

hilft beim Erkennen einer Prozessabweichung. Der

muss bei der Bewertung eines Temperaturwerts berücksichtigt werden. Prozessgase können unter anderem

verdrängen. Praktische Wärmebehandlungen dürfen nur unter fachlicher

durchgeführt werden.

Offene Aufgaben

Leicht

Temperaturkurve lesen: Markiere in der simulierten Messwerttabelle Aufheizen, Halten und Abkühlen.
Messwertprotokoll: Formuliere drei sachliche Protokolleinträge aus dem Ausbildungsfall.
Gefügebilder vergleichen: Beschreibe sichtbare Unterschiede zwischen Perlit- und Martensitbild, ohne die Bilder nachzuzeichnen.
Sicherheitscheck: Erstelle eine Karte mit vier Gefahren und je einer passenden betrieblichen Schutzmaßnahme.

Standard

Toleranzbewertung: Prüfe alle Werte der Haltephase und begründe, welche Werte innerhalb oder außerhalb des Sollbereichs liegen.
Messstellen vergleichen: Erkläre, warum Ofenfühler und Bauteilfühler unterschiedliche Werte anzeigen können.
Medienanalyse: Nutze ein eingebettetes Video und notiere fünf Aussagen zu Zeit, Temperatur und Gefüge. Prüfe sie anschließend mit einer Fachquelle.
Betriebsinterview: Befrage eine Fachkraft zur Prozessdokumentation, zu Freigaben und Alarmwegen. Führe keine praktische Wärmebehandlung selbstständig durch.

Schwer

Fehlerdiagnose: Entwickle drei mögliche Ursachen für einen kurzfristigen Temperaturüberschwinger und ordne jeder Ursache eine sichere Prüfmethode zu.
Prozessvergleich: Vergleiche zwei fiktive Abkühlkurven und leite ab, welche Kurve eher eine martensitische Umwandlung begünstigen könnte.
Dokumentationsstandard: Entwirf ein digitales Protokollformular für Zeit, Messstelle, Istwert, Sollwert, Status, Abweichung und Freigabe.
Ausbildungsprojekt: Beobachte eine fachlich angeleitete Demonstration aus sicherer Position und erstelle danach eine Medienreportage über Messung, Prozessüberwachung und Arbeitsschutz. Keine unbeaufsichtigten Versuche.

Lernkontrolle

Kurvenanalyse: Zwei Bauteile erreichen denselben Maximalwert, aber unterschiedlich lange Haltezeiten. Erkläre, warum daraus unterschiedliche Ergebnisse entstehen können.
Messunsicherheit: Ein Sensor springt innerhalb einer Sekunde um einen ungewöhnlich großen Betrag. Entwickle eine Prüfreihenfolge, bevor Du den Prozess bewertest.
Werkstoffbezug: Begründe, warum ein ZTU-Diagramm eines anderen Stahls nicht einfach für den vorliegenden Werkstoff verwendet werden darf.
Sicherheitsentscheidung: Während einer Wärmebehandlung treten starke Rauchentwicklung und eine Gaswarnung gleichzeitig auf. Begründe die richtige Priorität der nächsten Handlungen.
Qualitätsentscheidung: Entwickle Kriterien, nach denen ein Prozessprotokoll für eine spätere Qualitätsbewertung brauchbar oder unbrauchbar ist.
Transfer Wärmebehandlung: Erkläre, wie Bauteilquerschnitt, Messstelle und Abkühlbedingungen gemeinsam die Interpretation einer Temperaturkurve beeinflussen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du Temperaturkurven sicher liest, Soll- und Istwerte vergleichst, Messstellen unterscheidest, ZTU-Diagramme werkstoffbezogen interpretierst und Abweichungen sachlich dokumentierst.

Wichtig ist außerdem, dass Du Gefügeänderungen mit dem Zeit-Temperatur-Verlauf begründen kannst und bei heißen Werkstoffen, Feuer, Abgasen, Abschreckmedien und Prozessgasen die betrieblichen Sicherheitsregeln priorisierst.

Der Lernnachweis enthält keine unbeaufsichtigte praktische Wärmebehandlung.

Fachliche Quellen und Medienrechte

Fachliche Quellen, geprüft am 04.10.2026:

Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild: Grundlagen zu ZTU-Diagrammen, isothermen und kontinuierlichen Darstellungen sowie Messverfahren
Härten (Eisenwerkstoff): Grundlagen zu Austenitisieren, Abschrecken, Martensit und Anlassen
Anlassen: Zusammenhang von Anlasstemperatur und Gebrauchseigenschaften
DGUV Regel 109-605 Branche Wärmebehandlung von Metallen: Gefährdungen und Schutzmaßnahmen in Wärmebehandlungsbetrieben
BGHM Härtereitechnik: Gefahren durch Prozessgase sowie Brand- und Explosionsrisiken
DGUV Metall Ein Handbuch für Lehrkräfte: Hinweise zu Härten, Abschrecken, Rauchentwicklung und fachlicher Aufsicht

Verwendete Wikimedia-Commons-Medien und geprüfte Lizenzen:

Iron carbon phase diagram.svg: CC BY-SA 4.0
TTT diagram-20201210-isothermal transformations in steels.svg: CC BY-SA 4.0
Pearlite.jpg: Public Domain
Martensite.jpg: CC BY-SA 3.0
Heat-Treating-Furnace.jpg: unter anderem CC BY-SA 3.0
Data logger.jpg: unter anderem CC BY-SA 3.0
Essai jominy.svg: unter anderem CC BY-SA 3.0
Tempering colors in steel.jpg: CC0 1.0
Carbon dependance of martensite.svg: CC BY-SA 3.0 und GFDL
Courbes tth 25CrMo4.svg: Public Domain
Castings fresh from the heat treatment furnace.jpg: CC BY-SA 2.0
T-T-T-diagram.svg: CC BY-SA 4.0

YouTube: Die eingebetteten Videos stammen vom Kanal „Welt der Werkstoffe“ und wurden als öffentlich erreichbare Bildungsmedien geprüft. Es wurde kein Sofatutor-Medium verwendet. Die Videos werden über den YouTube-Player eingebettet; die Rechte am Videoinhalt verbleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern.

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