Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm

Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm

Die Zustandsdiagramme sind sehr wichtige Werkzeuge bei der Untersuchung von Legierungen für die Lösung vieler praktischer Probleme in der Metallurgie. Diese Diagramme definieren die Bereiche der Stabilität einer Phase, die in einem Legierungssystem unter der Bedingung konstanten atmosphärischen Drucks existieren kann. Für ein binäres System sind die Koordinaten dieser Diagramme Temperatur und Zusammensetzung. Die Zusammenhänge zwischen den Phasen, der Temperatur und der Zusammensetzung in einem Legierungssystem werden normalerweise nur unter Gleichgewichtsbedingungen durch Phasendiagramme dargestellt. Solche Bedingungen treten während langsamer Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten der Legierungen auf, wenn die Kinetik der Umwandlungen keine wichtige Rolle spielt.

Eisen und Stähle sind in ihrer einfachsten Form Legierungen aus Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C). Es gibt drei Arten von Eisenlegierungen. Diese Legierungen bestehen aus (i) Eisen mit einem C-Gehalt von weniger als 0,0008 % bei Raumtemperatur, (ii) Stählen mit einem C-Gehalt von 0,008 % bis 2,14 % (normalerweise weniger als 1 %) und einer Mikrostruktur aus Ferrit und Zementit ) und (iii) Gusseisen mit einem C-Gehalt von 2,14 % bis 6,7 % (normalerweise weniger als 4,5 %). Die Untersuchung des Aufbaus und der Struktur von Eisen und Stählen beginnt mit dem Zustandsdiagramm Eisen-Kohlenstoff (Fe-C) (Abb. 1). Das Fe-C-Phasendiagramm wird auch als Grundlage für das Verständnis der Wärmebehandlungsprozesse verwendet.

Viele der grundlegenden Merkmale des Fe-C-Systems beeinflussen das Verhalten selbst der komplexesten Eisen- und Stahllegierungen. Beispielsweise bleiben die im einfachen binären Fe-C-System gefundenen Phasen in komplexen Stählen bestehen, aber es ist notwendig, die Auswirkungen von Legierungselementen auf die Bildung und Eigenschaften dieser Phasen zu untersuchen. Das Fe-C-Diagramm bietet eine wertvolle Grundlage, auf der das Wissen über unlegierte und legierte Stähle aufgebaut werden kann.

Abb. 1 Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm

C ist eine interstitielle Verunreinigung in Fe. Es bildet eine feste Lösung mit Alpha-, Gamma- und Deltaphasen von Eisen. Die maximale Löslichkeit von C in Alpha-Eisen beträgt 0,025 % bei 727 Grad C. Körperzentriertes kubisches (BCC) Eisen hat relativ kleine Zwischengitterpositionen. Die maximale Löslichkeit von C im flächenzentrierten kubischen (FCC) Gamma-Eisen beträgt 2,14 % bei 1148 °C. FCC-Eisen hat größere Zwischengitterpositionen. Die mechanischen Eigenschaften von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen (Eisen und Stähle) hängen von ihrer Mikrostruktur ab, d. h. davon, wie die verschiedenen Phasen gemischt sind.

Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm in Abb. 2 zeigt tatsächlich zwei Diagramme, nämlich (i) das stabile Eisen-Graphit-Diagramm (rote Linien), (ii) und das metastabile Fe-Fe3C-Diagramm. Zementit ist metastabil, und das wahre Gleichgewicht liegt zwischen Eisen und Graphit (C). Obwohl Graphit in Gusseisen in großem Umfang vorkommt, ist es in der Regel schwierig, diese Gleichgewichtsphase in Stählen zu erreichen. Der stabile Zustand braucht in der Regel sehr lange, um sich speziell im Niedrigtemperatur- und Niedrigkohlebereich zu entwickeln. Daher ist das allgemein verwendete normale Gleichgewichtsdiagramm das metastabile Fe-Fe3C-Diagramm, da es für das Verhalten der meisten Stähle in der Praxis relevant ist.

Die Details der stabilen und metastabilen Phasendiagramme des Fe-C-Systems, insbesondere auf der Fe-reichen Seite, sind viel besser bekannt als alle anderen binären Systeme mit ähnlicher Komplexität. Es gibt jedoch immer noch wesentliche Bereiche, in denen das Phasendiagramm nicht gut etabliert ist, z. B. in Temperatur-, Zusammensetzungs- und Druckbereichen, die nicht direkt mit der Eisen- und Stahlherstellung zusammenhängen.

Abb. 2 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm mit stabilen und metastabilen Phasen

Es gibt einige wichtige metallurgische Phasen und Mikrobestandteile im Eisen-Kohlenstoff-System. Im Fe-Fe3C-System ist Kohlenstoff eine interstitielle Verunreinigung in Fe. Es bildet eine feste Lösung mit Alpha- (Alpha-Ferrit), Gamma- (Austenit) und Delta- (Delta-Ferrit) Phasen von Eisen. Dies sind wichtige Phasen im Fe-Fe3C Phasendiagramm. Zwischen den einphasigen Feldern finden sich Bereiche mit Mischungen aus zwei Phasen, wie Ferrit und Zementit, Austenit und Zementit sowie Ferrit und Austenit. Bei den höchsten Temperaturen findet man das Flüssigphasenfeld und darunter die beiden Phasenfelder Flüssigkeit und Austenit, Flüssigkeit und Zementit sowie Flüssigkeit und Ferrit. Bei der Wärmebehandlung von Stählen wird die flüssige Phase immer vermieden. Am eutektischen Punkt (4,26 % C) wird flüssige Legierung beim Abkühlen ohne Zweiphasenfeld direkt in Austenit und Zementit umgewandelt. In ähnlicher Weise wird am eutektoiden Punkt (0,76 % C) die Austenitphase beim Abkühlen ohne Zweiphasenfeld direkt in Ferrit und Zementit umgewandelt. Einige wichtige Grenzen an einphasigen Feldern haben spezielle Namen erhalten, die das Verständnis des Diagramms erleichtern.

Hauptphasen von Eisen und Stählen im Gleichgewicht sind die folgenden Phasen.

• Ferrit- oder Alpha-Eisenphase – Es ist eine stabile Form von Eisen bei Raumtemperatur. Es ist eine relativ weiche Niedertemperaturphase und eine stabile Gleichgewichtsphase. Es wandelt sich bei 910 °C in FCC-Austenit (Gammaphase) um. Ferrit ist ein häufiger Bestandteil von Stählen und hat eine BCC-Struktur, die weniger dicht gepackt ist als die FCC-Struktur. Es ist weich und ziemlich dehnbar. Es ist unter 768 °C magnetisch. Es hat eine geringe Festigkeit und eine gute Zähigkeit.
• Austenit- oder Gamma-Eisenphase – Austenit ist eine Hochtemperaturphase. Es ist eine feste Lösung von C im FCC-Eisen. Daher hat es eine FCC-Struktur, die eine dicht gepackte Struktur ist. Es ist eine nicht magnetische und duktile Phase. Es wandelt sich bei 1394 °C in BCC-Deltaferrit um. Es ist unterhalb der eutektischen Temperatur (727 °C) nicht stabil, wenn es nicht schnell abgekühlt wird. Austenit hat eine gute Festigkeit und Zähigkeit.
• Delta-Ferrit-Phase – Es ist eine feste Lösung von C in BCC-Eisen. Es ist nur bei Temperaturen über 1394 °C stabil. Es schmilzt bei 1538 °C. Es hat paramagnetische Eigenschaften.
• Zementit – Es ist Fe3C oder Eisencarbid. Es ist eine intermetallische Verbindung von Fe und C. Es hat eine komplexe orthorhombische Struktur und ist eine metastabile Phase. Es ist eine harte, spröde Phase. Es hat eine geringe Zugfestigkeit, eine gute Druckfestigkeit und eine geringe Zähigkeit. Es zersetzt sich (sehr langsam, innerhalb mehrerer Jahre) in Alpha-Ferrit und C (Graphit) im Temperaturbereich von 650 °C bis 700 °C.

Beim Vergleich von Austenit mit Ferrit ist die Löslichkeit von Kohlenstoff eher in Austenit mit einem Maximalwert von 2,14 % bei 1148 °C. Diese hohe Löslichkeit von Kohlenstoff in Austenit ist äußerst wichtig bei der Wärmebehandlung, wenn eine Lösungsbehandlung im Austenit gefolgt von einem schnellen Abschrecken erfolgt auf Raumtemperatur ermöglicht die Bildung einer übersättigten festen Lösung von Kohlenstoff in Eisen. Die Ferritphase ist mit einer maximalen Kohlenstofflöslichkeit von 0,025 % bei 727 °C eingeschränkt. Da der in gewöhnlichen Stählen verfügbare Kohlenstoffbereich zwischen 0,05 % und 1,5 % liegt, ist Ferrit normalerweise mit Zementit in der einen oder anderen Form assoziiert. Ebenso ist die Delta-Phase sehr eingeschränkt und liegt im Temperaturbereich zwischen 1394 °C und 1538 °C/ Sie verschwindet vollständig, wenn der Kohlenstoffgehalt 0,5 % erreicht.

Eine Legierung mit eutektoider Zusammensetzung (0,76 % C) bildet bei langsamer Abkühlung Perlit, eine Schichtstruktur aus zwei Phasen, nämlich Alpha-Ferrit und Zementit. Perlit ist das Ferrit-Zementit-Phasengemisch. Es hat ein charakteristisches Aussehen und kann als mikrostrukturelle Einheit oder Mikrobestandteil behandelt werden. Es ist ein Aggregat aus abwechselnden Ferrit- und Zementitlamellen, die nach längerem Halten unter 727 °C zu Zementitpartikeln degenerieren (sphäroidisieren oder vergröbern), die mit einer Ferritmatrix dispergiert sind. Es ist ein Eutektoid und hat eine BCC-Struktur. Es ist eine teilweise lösliche Lösung von Fe und C. Mechanisch hat Perlit Eigenschaften, die zwischen weichem, duktilem Ferrit und hartem, sprödem Zementit liegen. Es hat eine hohe Festigkeit und eine geringe Zähigkeit.

Untereutektoide Legierungen enthalten voreutektoiden Ferrit (über der eutektoiden Temperatur gebildet) zusammen mit dem eutektoiden Perlit, der eutektoides Ferrit und Zementit enthält. Übereutektoide Legierungen enthalten voreutektoiden Zementit (gebildet über der eutektoiden Temperatur zusammen mit Perlit, der eutektoides Ferrit und Zementit enthält).

Im Falle einer Nichtgleichgewichtsverfestigung des Fe-C-Systems können auch einige zusätzliche Arten von Mikrostrukturen gebildet werden. Einige dieser Mikrostrukturen sind unten angegeben.

• Bainit – Es ist eine Phase zwischen Perlit und Martensit. Es ist ein harter metastabiler Mikrobestandteil und besteht aus einer nicht lamellaren Mischung aus Ferrit und Zementit in einer extrem feinen Größenordnung. Oberes Bainit wird bei höheren Temperaturen gebildet und hat ein federartiges Aussehen. Niedrigeres Bainit wird bei niedrigeren Temperaturen gebildet und hat ein nadelförmiges Aussehen. Die Härte von Bainit nimmt mit abnehmender Temperatur seiner Entstehung zu. Es hat eine gute Festigkeit und Zähigkeit.
• Martensit – Es ist eine sehr harte Form der Kristallstruktur von Stahl. Es ist nach dem deutschen Metallurgen Adolf Martens benannt. Es entsteht durch schnelles Abkühlen und ist hart und spröde. Es ist eine körperzentrierte tetragonale (BCT) Form von Eisen, in der etwas Kohlenstoff gelöst ist. Es wird während des Abschreckens gebildet, wenn das flächenzentrierte kubische Gitter von Austenit in die raumzentrierte tetragonale Struktur verzerrt wird, ohne dass die darin enthaltenen Kohlenstoffatome in Zementit und Ferrit verloren gehen. Es ist eine übersättigte Lösung von C-Atomen in Ferrit. Es ist eine hart metastabile Phase. Es hat Lattenmorphologie, wenn C weniger als 0,6 % beträgt, Plattenmorphologie, wenn C mehr als 1 % beträgt, und Mischungen dazwischen. Es hat eine hohe Festigkeit und Härte und eine geringe Zähigkeit.
• Sorbit / Troostit – Strukturen der unteren Perlitstufe mit sehr feinen Flocken werden als Sorbit und Troostit bezeichnet. Es sind die Umwandlungsstrukturen der Perlitstufe, die den zunehmenden Abkühlungsraten entsprechen. Es verändert jedoch das Strukturverhältnis und die Bildung von Perlit in Bezug auf den Flockenabstand. Die Struktur ist unter einem optischen Mikroskop nicht zu sehen.
• Widmanstätten-Ferrit – Er wird erhalten, wenn untereutektoider unlegierter Kohlenstoffstahl schnell von einer Temperatur über der A3-Temperatur abgekühlt wird. Aufgrund der schnellen Abkühlung steht den Ferritkristallen wenig Zeit zur Keimbildung nicht nur an der Korngrenze, sondern auch innerhalb der großen Austenitkörner zur Verfügung. Sie wachsen schnell in eine bevorzugte Kristallrichtung innerhalb des Korns und werden dadurch länglich. Die Struktur liegt entweder in Form von Nadeln (Latten) oder Platten vor, die dazu neigen, sich innerhalb einer Maserung in die gleiche Richtung auszurichten.

Es gibt viele Temperaturen und kritische Punkte im Eisen-C-Diagramm, die sowohl aus grundlegender als auch aus praktischer Sicht wichtig sind. Dies sind die Temperaturen, bei denen beim Abkühlen oder Erhitzen sowohl Phasenumwandlungen als auch magnetische in ihnen stattfinden. Die Temperaturen, bei denen die Umwandlungen im Festkörper stattfinden, werden kritische Temperaturen oder kritische Punkte genannt. Wichtige Temperaturen und kritische Punkte sind unten angegeben.

• A0-Temperatur – Dies ist die Curie-Temperatur, bei der die magnetische zu nicht-magnetische Änderung von Zementit beim Erhitzen auftritt. Das Gefüge kann Defekte wie Versetzungen, Verwerfungen und Fehlstellen entwickeln. Zementit ist metallisch und ferromagnetisch mit einer Curie-Temperatur von etwa 210 °C. Beim Legieren substituieren metallische gelöste Stoffe die Eisenstellen; kleinere Atome wie Bor ersetzen Kohlenstoff an Zwischengitterplätzen.
• A1-Temperatur – Dies ist die Temperatur (727 °C), bei der die eutektoide Umwandlung stattfindet. Bei dieser Temperatur verwandelt sich Perlit beim Erhitzen in Austenit und umgekehrt
• A2-Temperatur – Sie wird als Curie-Temperatur von Ferrit (768 °C) bezeichnet, bei der ferromagnetischer Ferrit beim Erhitzen in paramagnetischen Zustand übergeht. Bei dieser Temperatur tritt keine Änderung der Mikrostruktur ein
• A3-Temperatur – Dies ist die Temperatur, bei der sich beim Abkühlen von untereutektoidem Stahl gerade Ferrit aus Austenit zu bilden beginnt oder letzte Spuren von freiem Ferrit sich beim Erhitzen in Austenit umwandeln. Somit ist es die Temperatur, die der Phasengrenze Gamma + Alpha/Gamma für untereutektoiden Stahl entspricht, und ist eine Funktion des Kohlenstoffgehalts des Stahls, da er von 910 °C bei 0 % C auf 727 °C bei 0,76 % C abnimmt Sie wird auch als obere kritische Temperatur von untereutektoiden Stählen bezeichnet. Das Temperaturintervall zwischen den Temperaturen A1 und A3 wird als kritischer Bereich bezeichnet, in dem der Austenit im Gleichgewicht mit Ferrit vorliegt.
• Acm-Temperatur – Dies ist die Temperatur in einem übereutektoiden Stahl, bei der sich gerade voreutektoider Zementit (beim Abkühlen) aus Austenit zu bilden beginnt. Sie stellt die Temperatur der Phasengrenze Gamma/Gamma + Fe3C dar und ist eine Funktion des Kohlenstoffs. Die Acm-Linie zeigt, dass die Feststofflöslichkeit von Kohlenstoff in Austenit sehr schnell von einem Maximum von 2,14 % bei 1148 °C auf ein Maximum von 0,76 % bei 727 °C abnimmt, was auf die größere Stabilität von Zementit bei niedrigeren Temperaturen zurückzuführen ist. Der zusätzliche Kohlenstoff scheidet sich aus Austenit als voreutektoider Zementit in übereutektoiden Stählen aus (in Gusseisen auch sekundärer Zementit genannt). Auch die Trennung von Zementit und Austenit (beim Abkühlen) geht mit Wärmeentwicklung einher.
• A4-Temperatur – Dies ist die Temperatur, bei der sich Austenit in Delta-Eisen umwandelt. Der niedrigste Wert für diese Temperatur beträgt 1394 °C, was im Fall von reinem Eisen der Fall ist. Diese Temperatur steigt, wenn der Kohlenstoffprozentsatz erhöht wird.
• Ms-Temperatur – Dies ist die Temperatur, bei der die Umwandlung von Austenit in Martensit während des Abkühlens beginnt.
• Mf-Temperatur – Dies ist die Temperatur, bei der die Martensitbildung während des Abkühlens endet. Alle Änderungen, mit Ausnahme der Bildung von Martensit, treten beim Abkühlen bei niedrigeren Temperaturen auf als beim Erhitzen und hängen von der Geschwindigkeit der Temperaturänderung ab.

Austenit-Ferrit-Umwandlung – Unter Gleichgewichtsbedingungen bildet sich in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit bis zu 0,76 % Kohlenstoff voreutektoider Ferrit. Die Reaktion findet in reinem Eisen bei 910 °C statt, in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen jedoch zwischen 910 °C und 727 °C. Durch Abschrecken aus dem austenitischen Zustand auf Temperaturen unterhalb der eutektoiden Temperatur kann Ferrit jedoch bis zu Temperaturen von 600 °C gebildet werden. Es gibt ausgeprägte morphologische Veränderungen, wenn die Transformationstemperatur gesenkt wird, die normalerweise allgemein für untereutektoide gelten und übereutektoide Phasen, obwohl es in jedem Fall Variationen aufgrund der genauen Kristallographie der beteiligten Phasen gibt. Beispielsweise gelten die gleichen Prinzipien für die Bildung von Zementit aus Austenit, aber es ist nicht schwierig, Ferrit morphologisch von Zementit zu unterscheiden.

Austenit-Zementit-Umwandlung – Es gibt verschiedene Morphologien von Zementit, die bei fortschreitend niedrigeren Umwandlungstemperaturen gebildet werden. Die anfängliche Entwicklung von Korngrenzen-Allotriomorphen ist der von Ferrit sehr ähnlich, und das Wachstum von Seitenplatten oder Widmanstätten-Zementit folgt demselben Muster. Das Allotriomorph hat eine Form, die seine innere Kristallsymmetrie nicht widerspiegelt. Dies liegt daran, dass es dazu neigt, an den Austenitkornoberflächen Keime zu bilden, wodurch Schichten gebildet werden, die den Korngrenzenkonturen folgen. Die Zementitplatten haben eine strengere kristallographische Form, trotz der Tatsache, dass die Orientierungsbeziehung mit Austenit komplexer ist. Wie im Fall von Ferrit stammen die meisten Seitenplatten von Korngrenzen-Allotriomorphen, aber bei der Zementitreaktion entstehen mehr Seitenplatten an Zwillingsgrenzen in Austenit.

Austenit-Perlit-Reaktion – Perlit ist die bekannteste Mikrostruktur im Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm. Es wurde vor über einem Jahrhundert von Sorby entdeckt, der richtigerweise davon ausging, dass es sich um eine lamellare Mischung aus Eisen und Eisencarbid handelte. Es ist ein sehr häufiger Bestandteil einer Vielzahl von Stählen, wo es einen wesentlichen Beitrag zur Festigkeit leistet. Lamellenartige eutektoide Strukturen dieser Art sind in der Metallurgie von Stählen weit verbreitet. Diese Strukturen haben viel mit den zellulären Präzipitationsreaktionen gemeinsam. Beide Reaktionsarten erfolgen durch Keimbildung und Wachstum und sind daher diffusionskontrolliert. Perlitkeime treten an Austenit-Korngrenzen auf, aber es ist klar, dass sie auch mit voreutektoidem Ferrit und Zementit assoziiert sein können. In kommerziellen Stählen können Perlitknollen auf Einschlüssen Keime bilden.