Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

In verarbeitetem Eisen (Stahl bzw. Gusseisen) ist stets eine gewisse Menge Kohlenstoff enthalten, dessen Anteil die Qualitätseigenschaften des Stahls bzw. 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-Diagrams wird jedoch geringer, je schneller abgekühlt bzw. 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.

Darstellung der Phasen im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

EKD2.png

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, Austenit für γ-Mischkristalle und Ferrit für α-Mischkristalle.

Grobe Unterteilung

Schmelze bezeichnet das flüssige Eisen. Oberhalb der Liquiduslinie ist das gesamte Eisen 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) bzw. 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.

Metallografische Bezeichnung

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

Bezeichnung	max. C-Gehalt	metallografische Bezeichnung
δ-Mischkristall	0,10 % bei 1493 °C	δ-Ferrit
γ-Mischkristall	2,06 % bei 1147 °C	Austenit
α-Mischkristall	0,02 % bei 723 °C	Ferrit

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 Phase. Zementit kommt in drei unterschiedlichen Formen vor, wobei die chemische Zusammensetzung des Zementits immer die gleiche ist:

Bezeichnung	Entstehung
Primärzementit	primäre Kristallisation aus der Schmelze (Linie CD)
Sekundärzementit	Ausscheidung aus dem Austenit (Linie ES)
Tertiärzementit	Ausscheidung aus dem Ferrit (Linie PQ)

Im nebenstehenden 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:

Bezeichnung	Besteht aus	Existenzbereich
Perlit	88 % Ferrit und 12 % Zementit	0,02 % bis 6,67 % bei T $\le$ 723 °C
Ledeburit I	51,4 % Austenit und 48,6 % Zementit	2,06 % bis 6,67 % bei T $\le$ 1147 °C bis 723 °C
Ledeburit II	51,4 % Perlit und 48,6 % Zementit	2,06 % bis 6,67 % bei T $\le$ 723 °C

Isotherme Reaktionen

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zeigt drei isotherme Reaktionen, eine peritektische (Linie HIB), eine eutektische (Linie ECF) und eine eutektoide (Linie PSK). 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 sog. 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-J-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.

Weblinks

Werkstoffkunde