Eisen-Kohlenstoff-Diagramm: Einführung

Einführung in das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

• Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist die Grundlage für das Verständnis von Stahl- und Gusseisenwerkstoffen.
• Die mechanischen Eigenschaften von Stählen und Gusseisen können durch Variation der Festigkeit in großem Umfang verändert werden.
• Dies hängt mit dem Umwandlungsverhalten des Eisengitters und den Wechselwirkungen zwischen Kohlenstoff und den Modifikationen des Eisens zusammen.
• Je nach Bedingungen können Eisen und Kohlenstoff metastabile oder stabile Phasen bilden, was die Herstellung von Werkstoffen mit angepassten Eigenschaften ermöglicht.
• Die Kenntnis des Diagramms und der Phasen ist entscheidend für das Verständnis von Stahl- und Gusseisen.

Bedeutung von Eisen

• Eisen ist mit etwa 47 % das zweithäufigste Metall in der Erdkruste nach Aluminium.
• Stahl besteht überwiegend aus Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von maximal 2 %.
• Der Massenanteil von Eisen ist höher als der jedes anderen Elements im Stahl.
• Es gibt über 2.500 verschiedene Stahlsorten, die durch Wärmebehandlung oder Legierungselemente in ihren Eigenschaften verändert werden können.

Polymorphie von Eisen

• Eisen ist ein polymorphes Metall, das in verschiedenen Kristallarten auftritt.
• Reines Eisen erstarrt bei 1536 °C zu Delta-Eisen mit kubisch-raumzentriertem Gitter.
• Bei 1401 °C entsteht Gamma-Eisen mit kubisch-flächenzentriertem Gitter.
• Bei 911 °C wandelt sich das Gitter erneut in Alpha-Eisen mit kubisch-raumzentriertem Gitter um, jedoch mit kleineren Gitterkonstanten als Delta-Eisen.
• Die Temperatur, bei der ferromagnetische Eigenschaften verschwinden (Curie-Temperatur), liegt für Eisen bei 769 °C.

Kristallarten des Eisens

• Alpha-Eisen (Ferrit) hat ein kubisch-raumzentriertes Gitter und bestimmt die Eigenschaften von Stahl bei Raumtemperatur.
• Gamma-Eisen (Austenit) hat ein kubisch-flächenzentriertes Gitter und liegt bei höheren Temperaturen, z.B. beim Schmieden, vor.
• Austenit besitzt eine dichtere Packung, bessere Verformbarkeit, ist unmagnetisch und löst mehr Kohlenstoff.

Gitterlücken und Kohlenstofflöslichkeit

• Alpha-Eisen hat kleinere Gitterlücken und erlaubt nur das spannungsfreie Lösen von Atomen bis zu 15% des Eisenatomdurchmessers.
• Ferrit kann nur bis zu 0,02 % Kohlenstoff lösen, während Austenit bis zu 2,06 % Kohlenstoff lösen kann.

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

• Das vollständige Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zeigt Phasengrenzen für alle Konzentrationen zwischen 0 und 100 % Kohlenstoff.
• Technisch interessant sind jedoch nur Kohlenstoffkonzentrationen von kleiner 6,67 %.
• Das stabile System (langsame Abkühlung) zeigt die Ausscheidung von Kohlenstoff in Form von Graphit.
• Es gibt verschiedene Phasenfelder wie Schmelze und Graphit, Austenit und Graphit, sowie Ferrit und Graphit.

Phasen im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

• Zwischen Delta- und Gamma-Eisen liegen Delta-Eisen und Gamma-Eisen vor.
• Zwischen Gamma-Eisen und Alpha-Eisen liegen Gamma-Eisen und Alpha-Eisen vor.
• Oberhalb der Liquiduslinie liegt Schmelze vor.
• Zwei-Phasen-Gebiete enthalten Schmelze und Delta-Eisen bzw. Schmelze und Gamma-Eisen.

Zementit

• Neben der Kohlenstoffskala wird der Anteil an Zementit (Fe3C) angegeben.
• Zementit ist eine intermetallische Verbindung mit hoher Festigkeit und Härte, aber geringer Zähigkeit.
• 6,67 % Kohlenstoff entsprechen 100 % Zementit, was das Ende des Teilschaubilds erklärt.

Gefügebestandteile

• Austenit wird auch als Gamma-Mischkristall und Ferrit als Alpha-Mischkristall bezeichnet.
• Ferrit und Zementit bilden Gefügebestandteile, die eigene Namen erhalten.

Ledeburit

• Der eutektische Punkt liegt bei 4,3 % Kohlenstoff und 1147 °C.
• Das eutektische Gefüge wird Ledeburit genannt und besteht zu gleichen Teilen aus Austenit und Zementit.
• Ledeburit ist fest, aber aufgrund des hohen Zementitanteils auch spröde.

Perlit

• Der eutektoide Punkt liegt bei 0,8 % Kohlenstoff und 723 °C.
• Das eutektoide Gefüge wird Perlit genannt und besteht aus Ferrit- und Zementitlamellen.

Weitere Reaktionen

• Bei 0,16 % Kohlenstoff und 1493 °C wandelt sich Delta-Ferrit mit Schmelze zu Austenit um (peritektisches System).

Zementit-Typen

• Primärzementit (Z1) entsteht durch Kristallisation aus der Schmelze.
• Sekundärzementit (Z2) entsteht durch Ausscheidung aus dem Austenit.
• Tertiärzementit (Z3) entsteht durch Ausscheidung aus dem Ferrit.

Wichtige Wertepaare

• Der eutektoide Punkt liegt bei 0,8 % Kohlenstoff und 723 °C.
• Der eutektische Punkt liegt bei 4,3 % Kohlenstoff und 1147 °C.

Einfluss von Legierungselementen

• Die meisten Eisenlegierungen enthalten neben Kohlenstoff weitere Legierungselemente, die die Eigenschaften und das Gefüge verändern.
• Dadurch können die temperaturabhängigen Gefügeänderungen nicht zuverlässig aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm bestimmt werden.
• Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm kann jedoch wichtige prinzipielle Einsichten vermitteln.

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist entscheidend für das Verständnis von Stahl und Gusseisen. Es erklärt, wie sich die mechanischen Eigenschaften durch Variation der Festigkeit verändern. Die Kenntnis des Diagramms und der verschiedenen Phasen ist für die Herstellung von Werkstoffen mit angepassten Eigenschaften unerlässlich.