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.
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.
Kohlenstoff ist das Element, das das Verhalten von Stahl am stärksten beeinflusst.
Kleine Kohlenstoffvariationen verändern: Härte, mechanische Festigkeit, Zähigkeit, Schweißbarkeit und Duktilität. Im Allgemeinen:
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.
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 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 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 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 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.
Das Diagramm unterteilt Eisen-Kohlenstoff-Legierungen in zwei große Kategorien.
Kohlenstoffgehalt bis etwa 2,06 % Sie sind:
Kohlenstoffgehalt über 2,06 % Sie sind:
|
Typ |
Kohlenstoffgehalt |
Haupteigenschaften |
|
Untereutektoide Stähle |
0,02-0,8% |
Ferrit + Perlit; gute Duktilität |
|
Eutektoide Stähle |
~0,8% |
Perlit; Gleichgewicht zwischen Härte und Duktilität |
|
Übereutektoide Stähle |
0,8-2,14% |
Perlit + Zementit; hohe Härte |
|
Untereutektisches Gusseisen |
2,14-4,3% |
Perlit + umgewandelter Ledeburit |
|
Eutektisches Gusseisen |
4,3% |
Reiner Ledeburit |
|
Übereutektisches Gusseisen |
4,3-6,67% |
Ledeburit + primärer Zementit |
Der eutektoide Punkt Einer der wichtigsten Punkte des Diagramms ist der eutektoide Punkt:
Hier wandelt sich Austenit vollständig in Perlit um. Er ist die Grundreferenz für viele Wärmebehandlungen.
Der eutektische Punkt befindet sich bei:
Hier erstarrt die Schmelze direkt zu:
Er ist grundlegend für das Studium der Gusseisen.
Der peritektische Punkt befindet sich ungefähr bei:
An diesem Punkt reagieren die Schmelze und Ferrit δ unter Bildung von Austenit.
Um das Diagramm zu lesen, muss man:
Daraus lässt sich ableiten, welche Phasen vorhanden sind, wie sich die mechanischen Eigenschaften verändern und wie das Material auf eine Wärmebehandlung reagiert.
Das Diagramm wird verwendet für:
Das Verständnis des Fe-C-Diagramms ist unerlässlich für die Planung und Kontrolle der wichtigsten Wärmebehandlungen von Stählen.
Langsames Abkühlen, das die Mikrostruktur in Richtung Gleichgewicht bringt, Eigenspannungen abbaut und die Duktilität erhöht.
Abkühlung an der Luft aus dem Austenitbereich; erzeugt feinere Mikrostrukturen als das Glühen.
Schnelles Abkühlen, das die Kohlenstoffdiffusion verhindert und Austenit in Martensit umwandelt, eine sehr harte metastabile Phase.
Behandlung nach dem Härten, die die Sprödigkeit verringert und innere Spannungen abbaut und dabei die Duktilität leicht erhöht.
Oberflächlicher Kohlenstoffanreicherungsprozess, um eine Oberflächenschicht in den Zusammensetzungsbereich zu bringen, der die Martensitbildung beim Härten begünstigt.
Das Diagramm:
Für Spezialstähle werden komplexere Diagramme verwendet: TTT, CCT oder Mehrkomponentendiagramme.
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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