Iron And Carbon Equilibrium Diagram

Das Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm, auch bekannt als das Fe-C-Diagramm oder das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm, ist ein fundamentales Werkzeug in der Werkstofftechnik und der Metallurgie. Es beschreibt die Phasen, die sich in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen bei verschiedenen Temperaturen und Kohlenstoffkonzentrationen bilden. Dieses Diagramm ist unerlässlich für das Verständnis der Wärmebehandlung, der Mikrostruktur und der Eigenschaften von Stählen und Gusseisen.

Es ist wichtig zu verstehen, dass das Fe-C-Diagramm im Wesentlichen ein metastabiles System beschreibt. Die stabile Phase für Kohlenstoff in Eisen ist Graphit, aber die Ausfällung von Graphit ist kinetisch gehemmt. Daher werden die meisten industriellen Prozesse durch das metastabile Fe-Fe3C (Eisen-Zementit)-Diagramm beschrieben, welches die Bildung von Zementit (Fe3C) berücksichtigt. Dieses Zementit ist eine intermetallische Verbindung aus Eisen und Kohlenstoff.

Bestandteile des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms

Das Diagramm stellt die Temperatur auf der vertikalen Achse und den Gewichtsprozentsatz an Kohlenstoff (Gew.-% C) auf der horizontalen Achse dar. Typischerweise erstreckt sich das Diagramm bis zu etwa 6,67 Gew.-% C, was der Stöchiometrie von Zementit (Fe3C) entspricht. Die wichtigsten Phasen, die im Diagramm vorkommen, sind:

• Ferrit (α-Eisen): Eine raumzentrierte kubische (KRZ) Eisenstruktur, die bei Raumtemperatur stabil ist und bis zu 0,022 Gew.-% C bei 727 °C lösen kann. Ferrit ist relativ weich und duktil.
• Austenit (γ-Eisen): Eine flächenzentrierte kubische (KFZ) Eisenstruktur, die zwischen 727 °C und 1493 °C stabil ist. Austenit kann deutlich mehr Kohlenstoff lösen als Ferrit (bis zu 2,14 Gew.-% C bei 1147 °C). Austenit ist nicht magnetisch und besitzt eine hohe Verformbarkeit.
• Zementit (Fe3C): Eine intermetallische Verbindung, die 6,67 Gew.-% C enthält. Zementit ist sehr hart und spröde. Es ist eine metastabile Phase, die sich bei hohen Temperaturen in Eisen und Graphit zersetzen kann, obwohl dies in der Praxis oft nur sehr langsam geschieht.
• Perlit: Eine eutektoide Mikrostruktur, die aus abwechselnden Lamellen von Ferrit und Zementit besteht. Sie bildet sich durch die eutektoide Reaktion bei 727 °C. Die Eigenschaften von Perlit liegen zwischen denen von Ferrit und Zementit.
• Ledeburit: Eine eutektische Mikrostruktur, die aus einer Mischung von Austenit und Zementit besteht. Sie bildet sich durch die eutektische Reaktion bei 1147 °C. Bei Raumtemperatur wandelt sich der Austenit in Perlit um, sodass Ledeburit bei Raumtemperatur aus Zementit und Perlit besteht.
• Delta-Ferrit (δ-Eisen): Eine raumzentrierte kubische (KRZ) Eisenstruktur, die bei hohen Temperaturen (oberhalb von 1394 °C) stabil ist. Es kann bis zu 0,09 Gew.-% C bei 1493 °C lösen.

Wichtige Punkte und Reaktionen

Das Fe-C-Diagramm weist mehrere wichtige Punkte und Reaktionen auf, die für das Verständnis der Phasenumwandlungen in Stählen und Gusseisen entscheidend sind:

• Eutektoide Reaktion (Punkt A, 727 °C, 0,76 Gew.-% C): Austenit (γ) wandelt sich bei Abkühlung in Perlit (α + Fe3C) um. Diese Reaktion ist von großer Bedeutung für die Wärmebehandlung von Stählen.
• Eutektische Reaktion (Punkt C, 1147 °C, 4,3 Gew.-% C): Flüssigkeit (L) wandelt sich bei Abkühlung in Ledeburit (γ + Fe3C) um.
• Peritektische Reaktion (Punkt B, 1493 °C, 0,16 Gew.-% C): Flüssigkeit (L) + Delta-Ferrit (δ) wandelt sich bei Abkühlung in Austenit (γ) um.

Diese Reaktionen definieren die Grenzen zwischen den verschiedenen Phasenfeldern im Diagramm und bestimmen die Mikrostruktur der Legierung nach dem Abkühlen. Die Kohlenstoffkonzentration und die Abkühlgeschwindigkeit sind entscheidende Faktoren, die die resultierende Mikrostruktur und somit die mechanischen Eigenschaften des Materials beeinflussen.

Anwendung des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist ein unverzichtbares Werkzeug für die Auswahl und Wärmebehandlung von Stählen und Gusseisen. Durch das Verständnis der Phasenbeziehungen können Ingenieure und Metallurgen die Mikrostruktur und die Eigenschaften des Materials gezielt beeinflussen. Beispielsweise:

• Stähle: Stähle enthalten weniger als 2,14 Gew.-% C. Je nach Kohlenstoffgehalt und Wärmebehandlung können Stähle unterschiedliche Mikrostrukturen und Eigenschaften aufweisen, wie z.B. hohe Festigkeit, Zähigkeit oder Härte. Die Wärmebehandlungsprozesse wie Härten, Anlassen und Glühen basieren auf den Informationen des Fe-C-Diagramms.
• Gusseisen: Gusseisen enthalten mehr als 2,14 Gew.-% C. Aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts kann die Bildung von Graphit begünstigt werden. Gusseisen weisen unterschiedliche Mikrostrukturen und Eigenschaften auf, wie z.B. hohe Dämpfungseigenschaften und gute Gießbarkeit.

Die Wärmebehandlung von Stahl, beispielsweise das Härten durch rasches Abkühlen von Austenit, führt zur Bildung von Martensit, einer harten und spröden Phase, die nicht im Gleichgewichtsdiagramm dargestellt ist. Das Anlassen von Martensit reduziert die Sprödigkeit und erhöht die Zähigkeit. Das Fe-C-Diagramm bietet also eine Grundlage für das Verständnis komplexerer Wärmebehandlungsprozesse.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm ein fundamentales Werkzeug ist, um das Verhalten von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen zu verstehen. Es ermöglicht die Vorhersage von Phasen und Mikrostrukturen, die sich unter verschiedenen Bedingungen bilden, und ist somit unerlässlich für die Entwicklung und Anwendung von Stählen und Gusseisen in einer Vielzahl von technischen Anwendungen.