Eisen-Kohlenstoff Diagramm
Gefüge an den rot gekennzeichneten Stellen :
1) Schmelze
2) Schmelze + Delta-Mischkristalle
3) Schmelze + Gamma-Mischkristalle
4) Schmelze + Fe3C
5) Delta-Mischkristalle
6) Delta-Mischkristalle + Gamma-Mischkristalle
7) Gamma-Mischkristalle
8) Gamma-Mischkristalle + Alpha-Mischkristalle
9) Gamma-Mischkristalle + Fe3C
10) Alpha-Mischkristalle
11) Alpha-Mischkristalle + Fe3C
Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff gilt nur für sehr langsame Abkühlungen. Alle Umwandlungen sind vollständig ablaufende Diffusionsvorgänge. Die im Diagramm gestrichelt dargestellten Linien kennzeichnen das stabile System Eisen-Graphit (Fe-C-Diagramm) und die durchgezogenen Linien stellen das metastabile System Eisen-Eisenkarbid (Fe-Fe3C-Diagramm) dar. Der Aufbau der Stähle wird in erster Linie vom metastabilen System bestimmt.
Im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm gibt
es drei Umwandlungslinien :
1. Peritektikale - Temperatur 1493° C - Linie H-B
(C-Gehalt 0,10 - 0,51 %)
peritektischer Punkt - I (C-Gehalt
0,16 %)
2. Eutektikale - Temperatur 1147° C - Linie E-F
(C-Gehalt 2,06 - 6,67 %)
eutektischer Punkt - C (C-Gehalt
4,30 %)
3. Eutektoidale - Temperatur 723° C - Linie P-K
(C-Gehalt 0,02 - 6,67 %)
eutektoider Punkt - S (C-Gehalt
0,80 %)
Die bei diesen Temperaturen ablaufenden Umwandlungsvorgänge
/ Reaktionen werden als peritektische , eutektische und eutektoide Umwandlung bezeichnet.
Im E-K-Diagramm sind folgende Arten
von Mischkristallen (MK) und Phasen zu finden :
Homogene Phasen
Delta-MK - kubisch raumzentriertes Gitter - max. C-Gehalt
0,10 % bei 1493° C
Gamma-MK - kubisch flächenzentriertes Gitter -
max. C-Gehalt 2,06 % bei 1147° C
Alpha-MK - kubisch raumzentriertes Gitter - max. C-Gehalt
0,02 % bei 723° C
Heterogene Phasen
Perlit - 88 % Ferrit + 12 % Zementit
Ledeburit I (kurz unter 1147° C) - 51,4 % Austenit
+ 48,6 % eutektischer Zementit
Ledeburit II (kurz unter 723° C) - 51,4 % Perlit
mit Sekundärzementit + 48,6 % eutektischer Zementit
Formen des Zementit
Primärzementit - Kristallisation aus der Schmelze
entlang der Linie C-D
Sekundärzementit - Ausscheidung aus dem Gamma-MK
(Austenit) entlang der Linie E-S
Tertiärzementit - Ausscheidung aus dem Alpha-MK
(Ferrit) entlang der Linie P-Q
Eutektischer Zementit - Ausscheidung bei der Erstarrung
der Restschmelze zu Ledeburit
Eutektoider Zementit - Ausscheidung bei der Umwandlung
von Gamma-MK zu Perlit
Kubisch raumzentriertes Gitter
Kubisch flächenzentriertes Gitter
Eutektische Umwandlung :
Im Umwandlungsbereich der Eutektikalen laufen folgende
Vorgänge ab. Bei Schmelzen mit > 4,3 % Kohlenstoff scheiden sich primär
Zementitkristalle (Primärzementit mit 6,67 % C) aus und magern so die restliche
Schmelze an Kohlenstoff ab. Diese Legierungen werden als übereutektisch bezeichnet.
Liegt der Kohlenstoffgehalt unter 4,3 % scheiden sich zuerst kohlenstoffhaltige Eisenmischkristalle
(Gamma-Eisen mit 2,06 % C) aus und reichern so die restliche Schmelze mit Kohlenstoff
an. Eine Legierung mit dieser Zusammensetzung nennt man untereutektisch. Mit weiterer
Abkühlung scheiden sich immer mehr Kristalle der einen oder anderen Sorte aus,
bis bei Erreichen der Temperatur von 1147° C die jetzt noch vorhandene Restschmelze
einen Kohlenstoffgehalt von 4,3 % aufweist. Entlang der Linie E-F erstarrt die Restschmelze
in einer sogenannten eutektischen Reaktion zu einem Eutektikum aus gesättigten
Gamma-Mischkristallen (2,06 % C) und Zementit - Fe3C (6,67 % C). Die Gefügebezeichnung hierfür lautet Ledeburit (Eutektikum
- Gefügebestandteil mit 4,3 % C). Gefüge einer untereutektischen Eisen-Kohlenstoff
Legierung bestehen aus zerfallenen Gamma-Mischkristallen und Ledeburit. Eutektische
Verbindungen bestehen zu 100 % aus Ledeburit und übereutektische Legierungen sind
ein Gemisch aus Ledeburit und Primärzementit. Während der weiteren Abkühlung
in Richtung 723° C scheidet sich aus den freien Gamma-Mischkristallen und den Gamma-Mischkristallen
des Ledeburit immer mehr Sekundärzementit aus. Dabei wird der Gamma-Mischkristall
in Abhängigkeit der Linie S-E auf 0,8 % C abgemagert. Bei Unterschreiten der Temperatur
von 723° wandeln die noch vorhandenen Gamma-Mischkristalle (Austenit) des Ledeburit
in einer eutektoiden Reaktion zu Perlit um (hierzu siehe weiter unten).
Sind in der Ursprungsschmelze Kohlenstoffgehalte von weniger als 2,06 % und mehr als 0,51 % vorhanden so scheiden sich aus der Schmelze zuerst Gamma-Mischkristalle aus. Bei Erreichen der Linie I-E ist die Erstarrung abgeschlossen und es liegt nur noch Gamma-Mischkristall (Austenit) vor. Die weitere Umwandlung bei sinkender Temperatur ist weiter unter beschrieben.
Peritektische Umwandlung :
Ist der Kohlenstoffgehalt < 0,51 % so findet eine
Ausscheidung von Delta-Mischkristallen statt. Gamma-Mischkristalle entstehen bei Kohlenstoffgehalten
> 0,51 % direkt aus der Schmelze. Bei Kohlenstoffgehalten < 0,51 % durch eine
sogenannte peritektische Umwandlung von Delta-Mischkristallen (0,10 % C) und Restschmelze
(0,51 % C) zu Gamma-Mischkristallen (0,16 % C). Bei Kohlenstoffgehalten von 0,16 -
0,51 % findet bei 1493° C in einer Reaktion von Delta-MK und Schmelze eine Umwandlung
zu Gamma-MK und Schmelze statt. Bei C-Gehalten von 0,10 - 0,16 % erstarrt das Gefüge
von Delta-MK und Schmelze zu Delta-MK und Gamma-MK. C-Gehalte von 0,16 % bewirken eine
direkte Umsetzung von Delta-MK und Schmelze zu Gamma-MK. Bei der weiteren Abkühlung
werden hierbei immer mehr Delta-Mischkristalle zu Gamma-Mischkristallen umgewandelt
bis die Linie N-I erreicht ist. Unterhalb der Linie N-I und I-E liegen nur noch Gamma-Mischkristalle
vor.
In einem kleinen Existenzbereich und bei Kohlenstoffgehalten von max. 0,10 % (Gebiet A-H-N-A) besteht das Gefüge nur aus Delta-Mischkristallen.
Eutektoidische Umwandlung :
Bei der eutektoiden Umwandlung kommt es zu folgenden
Gefügeumwandlungen. Bei weiterer Abkühlung der Legierung findet, bei einem
Kohlenstoffanteil von > 0,8 und < 2,06 %, bei Unterschreiten der Linie S-E eine
voreutektoide Ausscheidung von Fe3C (Sekundärzementit) statt. Der Kohlenstoffgehalt in den verbleibenden
Gamma-Mischkristallen nimmt dadurch stetig ab. Ist der Kohlenstoffanteil < 0,8 %,
so scheiden sich mit sinkender Temperatur bei Unterschreiten der Linie G-S kohlenstoffarme
Alpha-Mischkristalle aus und die verbleibenden Gamma-Mischkristalle reichern sich mit
Kohlenstoff an. Bei Erreichen einer Temperatur von 723° C zerfallen die restlich
verbliebenen Gamma-Mischkristalle, die zu diesem Zeitpunkt einen C-Gehalt von 0,8 %
aufweisen, zu einem Eutektoid (genannt Perlit - Gemisch aus Alpha-Mischkristallen mit
0,02 % C und eutektoider Zementit mit 6,67 % C). Bei dieser Umwandlungsart bildet sich
zuerst an einer Korngrenze des Gamma-Mischkristalls ein kleiner Kristall aus Zementit,
der den Kohlenstoff in seinem direkten Umfeld zu seiner Bildung entzieht. Der im angrenzenden
Bereich dieser Zementitplatte an Kohlenstoff verarmte Austenit bildet nun Ferritplatten
aus und reichert durch ausdiffundierenden Kohlenstoff den restlichen Mischkristall
wieder mit Kohlenstoff bis auf 0,8 % an. Dieses Wechselspiel dauert an bis der gesamte
Gamma-Mischkristall zu diesem lamellar aufgebauten Gefügebestandteil Perlit umgewandelt
ist. Die gesättigten Gamma-Mischkristalle des Eutektikums zerfallen bei dieser
Temperatur ebenfalls zu Perlit. Eine Legierung mit 0,8 % Kohlenstoff bezeichnet man
als Eutektoid. Bei diesem Kohlenstoffgehalt findet keine voreutektoide Ausscheidung
von Ferrit oder Zementit statt. Die Umwandlung erfolgt direkt, bei Erreichen von 723°
C, zu Perlit. Nach Überschreiten der Linie P-S-K, wird bei weiterer Abkühlung
auf Raumtemperatur, entsprechend der Linie P-Q, aus dem Ferrit und den Ferritlamellen
des Perlit noch etwas Kohlenstoff ausdiffundiert (Löslichkeitsgrenze von C bei
RT ca. < 0,001 %). Diese Ausscheidungen von Tertiärzementit kristallisieren
meist an den Zementit oder die Zementitlamellen des Perlit an und sind im Gefüge
nicht oder nur sehr schwer als eigenständiger Phasenanteil zu erkennen. Bei Raumtemperatur
besteht das Gefüge einer untereutektoiden Legierung aus Ferrit und Perlit. Eutektoide
Legierungen bestehen zu 100 % aus Perlit und bei Kohlenstoffgehalten von 0,8 - 2,06
% liegt ein übereutektoides Gefüge aus Perlit und Sekundärzementit vor.
Sekundärzementit ist meistens auf den Korngrenzen zu finden und wird deshalb auch
als Korngrenzenzementit bezeichnet.
Legierungen mit sehr geringen Kohlenstoffgehalten von max. 0,02 % bei 723° C bzw. <0,001 % bei RT (Gebiet G-P-Q-G) bestehen nur aus Alpha-Mischkristallen (Ferrit) bzw. aus Ferrit und Tertiärzementit der sich überwiegend an den Korngrenzen ausscheidet.
Umwandlungspunkte im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
:
"A" ist die Kennzeichnung für die Haltepunkte
(arrest point).
Der Index "r" (refroidissement) wird bei
den Haltepunkten auf Abkühlungskurven benutzt.
Der Index "c" (chauffage) wird bei den Haltepunkten
auf Erhitzungskurven benutzt.
Die verschiedenen Haltepunkte werden mit Zahlen durchnummeriert.
Somit ergeben sich Bezeichnungen wie "Ac1" oder "Ac3". Dies sind
auch die wichtigsten Umwandlungspunkte (zumindest für Wärmebehandlungen)
in der Stahlecke des Fe3C-Diagramms.
Im ZTU-Schaubild ist "Ac1" der erste Umwandlungspunkt
beim Aufheizen des Materials. Er kennzeichnet den Beginn der alpha-gamma-Umwandlung
(Beginn der Austenitbildung). Der Umwandlungspunkt "Ac3" kennzeichnet bei
untereutektoiden Stählen das Ende der alpha-gamma-Umwandlung (Ende der Austenitbildung).
Bei übereutektoiden Stählen ist die Lösung des Sekundärzementits
bei Überschreiten der Ac3-Temperatur abgeschlossen. Oberhalb der Ac3-Temperatur
liegt dann in beiden Fällen nur noch Austenit vor. Die seltener benutzte Bezeichnung
"Ac2" kennzeichnet keine echte Gefügeumwandlung sondern es handelt sich
hierbei um den Punkt der Umwandlung magnetisch / unmagnetisch von alpha-Mischkristallen
(769° C).
Um die Temperaturen der einzelnen Umwandlungspunkte
abzulesen, muss das Eisenkohlenstoffdiagramm, beim entsprechenden Kohlenstoffgehalt
auf der X-Achse, in der Vertikalen (beim Aufheizen z.B. von unten nach oben) bis zu
einer Umwandlungslinie durchlaufen werden. Die Temperatur wird dann in der Horizontalen
auf der Y-Achse abgelesen. So werden z.B. bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,4 % folgende
Umwandlungspunkte / Umwandlungstemperaturen durchlaufen :
Ac1 : 723° C
Ac2 : 769° C
Ac3 : ca. 785° C
Ac4 : ca. 1450° C
Ac5 : ca. 1493° C
Ac6 : ca. 1507° C
Beispielsweise gibt es bei einem Kohlenstoffgehalt
von 1,0 % nur 4 Umwandlungspunkte und bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,1 % sind 7
Umwandlungspunkte vorhanden.