Eisen-Kohlenstoff-Diagramm: Was es ist, Phasen und wie man es liest

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist eines der wichtigsten Werkzeuge der Metallurgie und der Konstruktion metallischer Werkstoffe.
Es wird verwendet, um zu verstehen, wie sich Stähle und Gusseisen in Abhängigkeit von Temperatur und Kohlenstoffgehalt verhalten. 

Die Kenntnis des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms ist grundlegend, um den richtigen Werkstoff auszuwählen, Wärmebehandlungen zu planen, mechanische Eigenschaften vorherzusagen sowie Härte, Festigkeit und Duktilität zu kontrollieren.

Es bildet die theoretische Grundlage eines großen Teils der modernen Stahlindustrie.

Was ist das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm?

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist ein Gleichgewichtsdiagramm, das die strukturellen Umwandlungen von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen in Abhängigkeit von Temperatur und Kohlenstoffgehalt beschreibt.

Es zeigt, welche metallurgischen Phasen sich beim Erhitzen oder Abkühlen bilden und ermöglicht so die Vorhersage der endgültigen Mikrostruktur des Materials.

Warum ist Kohlenstoff im Stahl so wichtig?

Kohlenstoff ist das Element, das das Verhalten von Stahl am stärksten beeinflusst.

Kleine Kohlenstoffvariationen verändern: Härte, mechanische Festigkeit, Zähigkeit, Schweißbarkeit und Duktilität. Im Allgemeinen:

• Kohlenstoffgehalt über 2,06 % → größere Härte und Festigkeit
• Kohlenstoffgehalt unter 2,06 % → größere Duktilität und Bearbeitbarkeit

Aufbau des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms

Das Diagramm setzt den Kohlenstoffprozentsatz von 0 % bis 6,67 % (horizontale Achse) in Beziehung zur Temperatur bis 1.600 °C (vertikale Achse).

Im Inneren des Diagramms erscheinen verschiedene Phasen, kritische Linien sowie eutektoide und eutektische Punkte.

Die wichtigsten Phasen des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms

Ferrit (α und δ)

Ferrit α ist die stabile Phase bei Raumtemperatur und bis etwa 912 °C. Er hat eine kubisch-raumzentrierte (krz) Kristallstruktur, eine geringe Kohlenstofflöslichkeit (maximal 0,02 % bei 723 °C) und gute Duktilität. Ferrit δ, stabil bei hohen Temperaturen (1.394–1.538 °C), hat ebenfalls eine krz-Struktur.

Austenit (γ)

Austenit ist die stabile feste Phase zwischen 912 °C und 1.495 °C. Er hat eine kubisch-flächenzentrierte (kfz) Struktur, die eine wesentlich größere Kohlenstofflöslichkeit als Ferrit ermöglicht: bis zu 2,14 % C bei 1.148 °C. Austenit ist die Ausgangsphase für die meisten Wärmebehandlungen von Stählen.

Zementit (Fe₃C)

Zementit ist Eisenkarbid mit der Formel Fe₃C und enthält 6,67 % C in der Masse. Es ist eine extrem harte und spröde Phase mit orthorhombischer Struktur. Er findet sich häufig in Lamellenform im Perlit oder als intergranulares Netzwerk in übereutektoiden Gusseisen.

Perlit

Perlit ist keine einzelne Phase, sondern eine lamellare Mikrostruktur aus abwechselnden Schichten aus Ferrit und Zementit. Er bildet sich beim langsamen Abkühlen von Austenit am eutektoiden Punkt (0,8 % C, 723 °C) durch die eutektoide Reaktion.

Ledeburit

Ledeburit ist die eutektische Mikrostruktur der Gusseisen, bestehend aus Austenit und Zementit. Er bildet sich bei 1.148 °C mit einem Kohlenstoffgehalt von 4,3 %. Er ist charakteristisch für weißes Gusseisen und für dessen hohe Härte und Sprödigkeit verantwortlich.

Stähle und Gusseisen im Diagramm

Das Diagramm unterteilt Eisen-Kohlenstoff-Legierungen in zwei große Kategorien.

Stähle

Kohlenstoffgehalt bis etwa 2,06 % Sie sind:

• verformbar
• bearbeitbar
• schweißbar

Gusseisen

Kohlenstoffgehalt über 2,06 % Sie sind:

• härter
• spröder
• hervorragend für Schmelzen und Gießen geeignet

Klassifizierung der Stähle nach Kohlenstoffgehalt

Kritische Punkte des Fe-C-Diagramms

Der eutektoide Punkt

Der eutektoide Punkt Einer der wichtigsten Punkte des Diagramms ist der eutektoide Punkt:

• etwa 0,77 % Kohlenstoff
• bei 727 °C

Hier wandelt sich Austenit vollständig in Perlit um. Er ist die Grundreferenz für viele Wärmebehandlungen.

Der eutektische Punkt

Der eutektische Punkt befindet sich bei:

• etwa 4,3 % Kohlenstoff
• bei 1.147 °C

Hier erstarrt die Schmelze direkt zu:

• Austenit
• Zementit

Er ist grundlegend für das Studium der Gusseisen.

Der peritektische Punkt

Der peritektische Punkt befindet sich ungefähr bei:

• 0,16–0,17 % Kohlenstoff
• etwa 1.493 °C

An diesem Punkt reagieren die Schmelze und Ferrit δ unter Bildung von Austenit.

Wie liest man das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm?

Um das Diagramm zu lesen, muss man:

1. den Kohlenstoffprozentsatz bestimmen
2. die Temperatur beobachten
3. prüfen, in welchem Bereich des Diagramms sich das Material befindet

Daraus lässt sich ableiten, welche Phasen vorhanden sind, wie sich die mechanischen Eigenschaften verändern und wie das Material auf eine Wärmebehandlung reagiert.

Warum ist das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm grundlegend?

Das Diagramm wird verwendet für:

• Stahlkonstruktion: Es ermöglicht die Vorhersage und Identifizierung einer bestimmten Mikrostruktur, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften des Materials zu erzielen.
• Wärmebehandlungen: Theoretische Grundlage für Härten, Anlassen, Normalisieren und Glühen.
• Kontrolle mechanischer Eigenschaften: Hilft bei der Vorhersage von Härte, Festigkeit und Duktilität.
• Metallurgie und Produktion: Unverzichtbar in Stahlwerken, Gießereien, CNC-Bearbeitung und metallischer additiver Fertigung.

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm und Wärmebehandlungen

Das Verständnis des Fe-C-Diagramms ist unerlässlich für die Planung und Kontrolle der wichtigsten Wärmebehandlungen von Stählen.

Glühen

Langsames Abkühlen, das die Mikrostruktur in Richtung Gleichgewicht bringt, Eigenspannungen abbaut und die Duktilität erhöht.

Normalisieren

Abkühlung an der Luft aus dem Austenitbereich; erzeugt feinere Mikrostrukturen als das Glühen.

Härten

Schnelles Abkühlen, das die Kohlenstoffdiffusion verhindert und Austenit in Martensit umwandelt, eine sehr harte metastabile Phase.

Anlassen

Behandlung nach dem Härten, die die Sprödigkeit verringert und innere Spannungen abbaut und dabei die Duktilität leicht erhöht.

Aufkohlen

Oberflächlicher Kohlenstoffanreicherungsprozess, um eine Oberflächenschicht in den Zusammensetzungsbereich zu bringen, der die Martensitbildung beim Härten begünstigt.

Grenzen des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms

Das Diagramm:

• stellt Gleichgewichtsbedingungen dar
• berücksichtigt keine realen schnellen Abkühlungen
• umfasst nicht alle modernen Legierungselemente

Für Spezialstähle werden komplexere Diagramme verwendet: TTT, CCT oder Mehrkomponentendiagramme.

Schlussfolgerungen

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist das Fundament der Metallurgie der Stähle und Gusseisen.
Es ermöglicht das Verständnis von Mikrostrukturumwandlungen, mechanischem Verhalten und den Auswirkungen von Wärmebehandlungen.

Ob man in der Konstruktion, CNC-Fertigung, Wärmebehandlung oder additiven Fertigung tätig ist — das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zu verstehen bedeutet, das Verhalten metallischer Werkstoffe an der Basis der modernen Industrie zu begreifen..

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Häufig gestellte Fragen zum Fe-C-Diagramm