Das Eisen-Kohlenstoff-Zustandsschaubild – piaggiotopcom

In einem Zustandsschaubild (auch Zustandsdiagramm genannt) sind die Aggregatzustände und die Gefügearten aller Zusammensetzungen einer Zweistofflegierung in Abhängigkeit von der Temperatur aufgetragen.

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Die technisch wichtigste Zweistofflegierung – das Legierungssystem Eisen-Kohlenstoff (Eisen-Werkstoffe) hat ein kompliziert aussehendes Zustandsschaubild. Es besteht aus Gefügefeldern, die die vom Kohlenstoffgehalt und der Temperatur aufgespannte Schaubildebene füllen.

Der Kohlenstoffgehalt ist auf der Abszisse (x-Achse) aufgetragen: Als markante Kohlenstoffgehalte besonders gekennzeichnet sind: 0 % (reines Eisen, Ferrit), 0,8 % (mit rein perlitischem Gefüge), 2,06 % (die Grenze zwischen Stahl und Gusseisen), 4,3 % (eine Eisenschmelze mit besonders niedrigem Schmelzpunkt) sowie 6,67 % (ein C-Gehalt, bei dem die ganze Legierung aus Zementit Fe3C besteht). Hier endet das Schaubild, da höhere C-Gehalte technisch nicht sinnvoll sind.

Die Gefügearten, die Eisen-Kohlenstoff-Legierungen der verschiedensten C-Gehalte bei Raumtemperatur haben, sind in der untersten Reihe des Schaubilds aufgetragen.

Als Besonderheit sei vermerkt, dass bei Kohlenstoffgehalten über 2,06 % der Kohlenstoff je nach Abkühlungsgeschwindigkeit als Zementit (in Form von Ledeburit) oder als Graphit ausfallen kann.

Auf der y-Achse des Zustandsschaubildes ist die Temperatur aufgetragen.

Markante Temperaturen sind: die Raumtemperatur (am unteren Rand), die 723°C-Linie (hier findet die Gitterumwandlung vom kubisch-raumzentrierten zum kubisch-flächenzentrierten Kristallgitter statt) und 1536°C (die Schmelztemperatur von reinem Eisen).

Jeder von Linien begrenzte Bereich im Zustandsschaubild stellt den Existenzbereich einer Gefügeart bzw. eines Aggregatzustandes dar. Die Linien markieren den Übergang von einer Gefügeart zur anderen. Die wichtigen End- und Schnittpunkte von Linien sind mit Großbuchstaben benannt.

Betrachtet man die Aggregatzustands- und Gefügebereiche systematisch, indem man von Eisenschmelzen unterschiedlichen Kohlenstoffgehalts ausgeht (der rot eingelegte Bereich oberhalb der Linie A-C-D), so kann man folgendes feststellen:

  • Oberhalb der Linie A-C-D sind alle Eisen-Kohlenstoff-Werkstoffe flüssig (Schmelze).
  • Bei Unterschreiten der Linie A-C-D beginnt ein teilweises Erstarren durch Ausscheiden einzelner Kristalle aus der Schmelze. Je nach C-Gehalt fallen unterschiedliche Kristalle aus:

– Bei einem C-Gehalt von 0 % bis 4,3 % bilden sich Austenitkristalle mit einem kubisch-flächenzentrierten Kristallgitter. Bei weiterer Abkühlung fallen immer mehr Austenitkristalle aus, bis bei Erreichen der Linie A-E-C die ganze Schmelze erstarrt ist.

– Eisenschmelzen mit 4,3 bis 6,67 % C bilden nach Unterschreiten der Linie C-D bei rascher Abkühlung Zementitkristalle, bei langsamer Abkühlung auch Graphit. Bei weiterer Abkühlung schreitet die Ausscheidung voran, bis die Schmelze bei der Linie C-F (rund 1150°C) völlig erstarrt ist.

– Eine Sonderstellung nimmt die Eisenschmelze mit 4,3 % Kohlenstoff ein: Sie erstarrt wie ein reines Metall vollständig bei einer Temperatur von 1150°C zu einem feinkörnigen Gefüge, das Ledeburit genannt wird.

Solch ein Schmelzpunktminimum einer Legierung heißt Eutektikum.

  • Bei weiterer Abkühlung der nunmehr erstarrten Eisen-Kohlenstoff-Legierungen kommt es je nach C-Gehalt zu unterschiedlichen Vorgängen:

– Eisen-Werkstoffe mit bis 2,06 % C, die Stähle, bestehen nach dem Erstarren aus Austenit. Bei einem C-Gehalt bis 0,8 % (z.B. 0,5 % C) entsteht bei Abkühlung unter die Linie G-S zunächst Ferrit und bei weiterer Abkühlung unter die Linie P-S Perlit, so dass diese Stähle unterhalt 723°C ein Gefüge aus Ferrit + Perlit besitzen.

Bei einem C-Gehalt von 0,8 bis 2,06 % (z.B. 1,3 %) entsteht bei Abkühlung aus dem Austenit bei Unterschreiten der Linie S-E zunächst Korngrenzenzementit und bei weiterer Abkühlung unter die 723°C-Linie Perlit. Diese Stähle bestehen unterhalb 723°C aus Perlit, umgeben von Korngrenzenzementit.

Stahl mit genau 0,8 % C (eutektoide Zusammensetzung) wandelt sich bei Abkühlung unter 723°C vom Austenit in reines Perlitgefüge um.

– Eisen-Werkstoffe mit einem C-Gehalt von 2,06 bis 4,3 % (Gusseisen) erstarren über die Zwischenstufe Austenit, je nach Abkühlungsgeschwindigkeit zu Perlit + Ledeburit oder Ferrit/Perlit + Graphit.

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