Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

In verarbeitetem Eisen (das sind Stahl und Gusseisen) ist stets eine gewisse Menge Kohlenstoff enthalten, dessen Anteil die Qualitätseigenschaften des Stahls und des Gusseisens bestimmt. Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD) ist ein Gleichgewichtsschaubild für das binäre System Eisen-Kohlenstoff, aus dem sich in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt und der Temperatur die Phasenzusammensetzung ablesen lässt.

Ist die zeitliche Gefügeentwicklung bei unterschiedlich schneller Abkühlung von Interesse, werden so genannte Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder verwendet.

Der Kohlenstoff ist der wichtigste Legierungsbestandteil des Eisens, bereits kleinste Veränderungen des Kohlenstoffgehaltes haben große Auswirkungen auf die Eigenschaften des Werkstoffes. Die Aussagefähigkeit des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms wird jedoch geringer, je schneller abgekühlt oder erwärmt wird oder je größer der Gehalt an anderen Legierungselementen ist. Das EKD wird in zwei Formen dargestellt: dem metastabilen System (Fe-Fe₃C), in dem der Kohlenstoff in gebundener Form vorkommt und dem stabilen System (Fe-C) mit elementarem Kohlenstoff in Form von Graphit. Die beiden Systeme werden meist in einem Diagramm abgebildet und entsprechend gekennzeichnet. In der Praxis wird aber hauptsächlich das metastabile Fe-Fe₃C System verwendet.

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Darstellung der Phasen im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Auf der x-Achse werden die Gewichtsprozente des Kohlenstoffes aufgetragen, auf der y-Achse die Temperatur. Das Diagramm stellt nur den technisch interessanten Kohlenstoffgehalt von 0 bis 6,67 % dar (nur wenige Vorlegierungen haben höhere Kohlenstoffgehalte), das entspricht einem Zementitgehalt von 100 %.

Die Linien stellen die zu anderen Temperaturen verschobenen Haltepunkte bzw. Knickpunkte dar und grenzen die einzelnen Phasenfelder voneinander ab. Die signifikanten Punkte werden mit Buchstaben gekennzeichnet, bei einigen Darstellungen wird oft der Punkt I mit Punkt J gekennzeichnet.

Der Linienzug ABCD stellt die Liquiduslinie dar, oberhalb dieser ist die Legierung flüssig, der Linienzug AHIECF entspricht der Soliduslinie, unterhalb der die Legierung komplett erstarrt ist. In dem Temperaturintervall zwischen der Liquidus- und Solidustemperatur hat die Legierung eine breiige Konsistenz und besteht aus Restschmelze, δ-Eisen, γ-Eisen und Zementit (Fe₃C) in wechselnden Konzentrationen und Mengenverhältnissen. Wird bei der Abkühlung der Legierung die Liquiduslinie unterschritten, so beginnt die Primärkristallisation aus der Schmelze.
Aufgrund der verschiedenen allotropen Modifikationen des Eisens bilden sich je nach Kohlenstoffgehalt verschiedene Phasen. Das Eisen bildet verschiedene Einlagerungsmischkristalle δ-, γ und α-Mischkristalle mit verschiedenen Löslichkeiten für Kohlenstoff. Die Gründe für das unterschiedliche Lösungsvermögen der einzelnen Mischkristalle sind die verschiedenen Raumgitter und Gitterkonstanten. Die metallografischen Bezeichnungen der Mischkristalle lauten δ-Ferrit oder Austenit für γ-Mischkristalle und Ferrit für α-Mischkristalle.

Grobe Unterteilung

• Schmelze bezeichnet die flüssige Eisen-Kohlenstoff-Legierung. Oberhalb der Liquiduslinie ist die gesamte Legierung flüssig, zwischen Liquidus- und Soliduslinie nur ein Teil.
• δ-Ferrit (Delta-Ferrit): kubisch raumzentrierte Kristallstruktur
• Austenit (γ-Mischkristalle): kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur
• α-Ferrit (Alpha-Ferrit): kubisch raumzentrierte Kristallstruktur
• Graphit (stabiles System) oder Zementit (Fe₃C; metastabiles System)

Bei Perlit und Ledeburit handelt es sich nicht um Phasen, sondern um besondere Phasengemische (Gefüge). Diese entstehen nur im stabilen oder metastabilen System, also bei langsamer Abkühlung. Im metastabilen System gibt es folgende charakteristische Punkte, Linien und Phänomene:

• Punkte
  • A: (0 %/1536 °C) B: (0,53 %/1493 °C) C: (4,3 %/1147 °C) D: (6,67 %/1320 °C) E: (2,06 %/1147 °C)
  • F: (6,67 %/1147 °C) G: (0 %/911 °C) H: (0,1 %/1493 °C) I: (0,16 %/1493 °C) K: (6,67 %/723 °C)
  • N: (0 %/1392 °C) P: (0,022 %/723 °C) S: (0,8 %/723 °C) Q: (0,002 %/20 °C) M: (0 %/769 °C)
  • S': (0,69 %/738 °C) E': (2,03 %/1153 °C) C': (4,25 %/1153 °C)

• Linien
  • Liquiduslinie: A-B-C-D Soliduslinie: A-H-I-E-C-F
  • Eutektikale: E-C-F Eutektoide: P-S-K Peritektikale: H-I-B

• Phänomene
  • Eutektikum: 4,3 % bei 1147 °C
  • Eutektoid: 0,8 % bei 723 °C
  • Peritektikum: 0,16 % bei 1493 °C

Metallografische Bezeichnung

Die metallografischen Bezeichnungen der Mischkristalle lauten δ-Ferrit, Austenit für γ-Mischkristalle und Ferrit für α-Mischkristalle.

Die Eisen-Kohlenstoff-Verbindung Fe₃C oder auch Zementit ist ebenfalls eine Phase, diese ist aber nicht mit Eisenmischkristallen zu verwechseln, es handelt sich hierbei um eine intermetallische/intermediäre Phase. Zementit kommt in drei unterschiedlichen Formen vor, wobei die chemische Zusammensetzung des Zementits immer die gleiche ist:

Im Diagramm fehlt bei Kohlenstoffgehalten von 2,06 % C bis 4,3 % C der Sekundärzementit in der Beschriftung. Er ist zwar vorhanden, kann aber metallografisch nicht nachgewiesen werden.

Neben den reinen Phasen treten auch Phasengemische auf:

Isotherme Reaktionen

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zeigt drei isotherme Reaktionen, eine peritektische (Linie HIB), eine eutektische (Linie ECF) und eine eutektoide (Linie PSK). Punkt H: Maximale C-Löslichkeit im δ-Ferrit. Punkt I: Peritektikum δ+L -> γ. (sind im EKD nicht benannt)

Bei der Erwärmung oder Abkühlung des Stahls entstehen an einigen Linien Haltepunkte, die die einzelnen Umwandlungen kennzeichnen. Die wichtigsten sind:

• A₁ – Linie P-S-K, bei 723 °C zerfällt der Austenit zu Perlit, bei Kohlenstoffgehalten > 0,01 %
• A₂ – bezeichnet den Verlust des Ferromagnetismus von Ferrit bei einer Erwärmung über 768 °C (Curiepunkt).
• A₃ – Linie G-O-S, wird bei der Abkühlung diese Linie unterschritten bilden sich C-arme α-Mischkristalle (Ferrit), der freiwerdene Kohlenstoff reichert sich im Austenit an, bis dieser bei 723 °C die eutektoide Konzentration erreicht hat.

Die Linie E-C-F wird Eutektische Linie oder auch Eutektikale genannt, da hier das Eutektikum entsteht. Hat die Schmelze die eutektische Konzentration von 4,3 % C, wandelt sie sich isotherm bei 1147 °C (Punkt C) in ein Mischgefüge aus Austenit und Zementit um, dem sogenannten Ledeburit. Die Linie H-I-B wird peritektische Linie oder Peritektikale genannt, hier setzen sich die δ-Mischkristalle mit 0,1 % C und Restschmelze mit 0,51 % C isotherm bei 1493 °C zu γ-Mischkristallen mit 0,16 % C (Punkt I).

Anwendung

Mit Hilfe des Eisen-Kohlenstoff-Diagrammes lassen sich beispielsweise einige Fragen zum unterschiedlichen Verhalten von Stahl (<2,06 % C) und Gusseisen (>2,06 % C) klären:

• Stahl lässt sich schmieden, weil er im weiten, homogenen Austenitbereich gut verformbar ist. Bei Gusseisen tritt dieses Verhalten nicht ein, weil die größeren Anteile von Kohlenstoff in Form von Graphit oder Ledeburit die Verformbarkeit erschweren und der Übergang in die Schmelze schroff ist.
• Die Schmelztemperatur des reinen Eisens liegt bei 1536 °C, die Temperaturen der vollständigen Erstarrung (bzw. Beginn des Aufschmelzens) von Stahl (Linie A-H-I-E) und Gusseisen (Linie E-C-F bei 1147 °C) sind ebenfalls ablesbar. Der niedrigere Schmelzpunkt des Gusseisens ist eine der Ursachen, warum dieses besser und einfacher gießbar ist als Stahl.

Alle diese Eigenschaften machen das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zu einem wichtigen Werkzeug für die Beurteilung eines der am meisten verwendeten Werkstoffe.

Quellen

• Hermann Schumann, Heinrich Oettel, Metallografie, 14. Auflage, Wiley-VCH Verlag
• Prof. Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bargel und Prof. Dr.-Ing. Günter Schulze, Werkstofftechnik, 8. Auflage, Springer Verlag Berlin
• Prof. Dr.-Ing. Volker Läpple, Wärmebehandlung des Stahls, 9. Auflage, Verlag Europa Lehrmittel