Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm: Schlüsselverständnis für Stahl & Gusseisen

Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm

Das Fe-C-Phasendiagramm ist das zentrale Werkzeug zum Verständnis der Phasen, Gefüge und mikroskopischen Bestandteile von Stahl und Gusseisen. Beide sind Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit geringen Spurenelementen.

Das Diagramm ist komplex, aber für technische Stähle/Gusseisen relevant bis 6,67 Gew.-% C (Stoichiometrisches Fe₃C / Zementit). X-Achse: Kohlenstoffgehalt (Gew.-%), Y-Achse: Temperatur.

Das Gleichgewichtsdiagramm zeigt: Verschiedene Strukturen (bei Erhitzen/Abkühlen), Phasen und mikroskopische Bestandteile diverser Stähle und Gusseisen. Im Folgenden: Hauptstrukturen, Bedeutung der Linien, kritische Punkte.

Mikroskopische Hauptbestandteile im Fe-C-System

• Austenit (γ)
• Ferrit (α)
• Zementit (Fe₃C)
• Perlit

1. Austenit (γ-Eisen)

Feste Lösung von Kohlenstoff in γ-Eisen (flächenzentriert kubisch, FCC). Oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur (Ac3/Acm) vollständige Umwandlung zu Austenit: hart, duktil, nicht magnetisch. Löst große C-Mengen (max. 2,06 % bei 1147 °C). Liegt in den Umwandlungsbereichen beim Erhitzen/Abkühlen. Bei Abkühlung unter 723 °C (A1) zerfällt in Perlit + Ferrit (bzw. Zementit). Austenitische Stähle nicht durch konventionelles Härten härtbar, nicht magnetisch.

2. Ferrit (α-Eisen)

Sehr kohlenstoffarm (max. 0,025 % bei 723 °C, 0,008 % bei RT). Reines Eisenkristallgitter (raumzentriert kubisch, BCC). Weich, duktil. Langsames Abkühlen von niedriglegiertem Stahl unter Ac3 → Ferrit. Ferrit härtet beim schnellen Abkühlen nicht. Hoch magnetisch.

3. Zementit (Fe₃C)

Chemische Verbindung Eisen-Kohlenstoff (Eisenkarbid). Gusseisen mit 6,67 % C besteht vollständig aus Zementit. Freier Zementit in allen Stählen mit > 0,83 % C (Hyper-eutektoid). Anteil steigt mit C-Gehalt (Fe-C-Diagramm). Extrem hart. Härte & Sprödigkeit von Gusseisen maßgeblich durch Zementit bestimmt. Zementitbildung = C verbindet sich mit Fe zu harten Karbiden. Magnetisch < 200 °C (Curie-Temperatur).

4. Perlit

Eutektoides Gefüge (Mischkristall) aus Ferrit + Zementit (Lamellen). Tritt in mittel- und niedriglegierten Stählen auf. Mechanisches Gemisch Ferrit:Zementit ≈ 87:13 (Gewichtsverhältnis). Härte steigt mit Perlitanteil. Perlit: relativ fest, hart, duktil. Ferrit: weich, duktil. Mikroskopisch: abwechselnd helle (Ferrit) und dunkle (Zementit) Lamellen → Perlmuttglanz → Name. Harte Stähle = Perlit + Zementit. Weiche Stähle = Ferrit + Perlit.

Mit steigendem C-Gehalt > 0,2 % sinkt die Temperatur, bei der Ferrit aus Austenit ausscheidet, bis bei ≥ 0,8 % C kein freier Ferrit mehr ausscheidet → eutektoider Stahl = 100 % Perlit.

Bedeutung der Umwandlungslinien

1. Linie ABCD (Liquidus-Linie)

Oberhalb: Schmelze vollständig flüssig (Liquidus). Zwischen ABCD und AHJECF: Zweiphasengebiet Flüssig + Austenit (Mushy Zone). Festphase = Austenit. Linie nicht horizontal → Schmelztemperatur hängt von C-Gehalt ab.

2. Linie AHJECF (Solidus-Linie)

Beginn der Erstarrung beim Abkühlen. Ebenfalls C-abhängig (nicht horizontal). Darunter (bis GSEC): Vollständig fest, Austenit-Gefüge.

3. Linie PSK (A1-Linie / Eutektoide)

Horizontale Linie bei 723 °C (Eutektoidentemperatur). Untere kritische Temperatur. C-Gehalt hat keinen Einfluss – alle Stähle transformieren hier. Bereich darüber bis GSE = Umwandlungsbereich. Stähle mit C ≤ 0,8 % beginnen hier beim Erhitzen die Umwandlung Ferrit+Perlit → Austenit.

4. Linie ECF

Bei 1130 °C (für Gusseisen relevant). Für Gusseisen mit 2–4,3 % C. Zwischen ECF und SK: Austenit + Ledeburit bzw. Zementit + Ledeburit.

Weitere wichtige Linien & Punkte

• GSE (Acm / A3): Obere kritische Temperatur (Ende Austenitumwandlung beim Erhitzen). Hypoeutektoid: A3 (Ferrit→Austenit ende). Hypereutektoid: Acm (Zementit→Austenit ende).
• Ledeburit: Eutektisches Gefüge (4,3 % C, 1147 °C): Austenit + Zementit. Bei Abkühlung → Perlit + Zementit (Grauguss) oder Perlit + Zementit (Weißguss).
• Eutektoide Punkt (S): 0,8 % C, 723 °C. γ → α + Fe₃C (Perlit).
• Eutektischer Punkt (C): 4,3 % C, 1147 °C. L → γ + Fe₃C (Ledeburit).
• Peritektischer Punkt (J): 0,16 % C, 1493 °C. L + δ → γ.

FAQ

Was ist das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm?

Grafische Darstellung der Mikrostrukturzustände der Legierung Fe-C in Abhängigkeit von Temperatur und C-Gehalt. Einführung in Metallstrukturen & Reines Eisen nötig für Verständnis.

Wie liest man ein Eisen-Kohlenstoff-Diagramm?

X-Achse: C-Gehalt (Gew.-%). Y-Achse: Temperatur. Phasenfelder, Linien (Liquidus, Solidus, A1, A3, Acm) und Punkte (Eutektikum, Eutektoid, Peritektikum) identifizieren. Video-Tutorial verfügbar.

Warum „Gleichgewichtsdiagramm“?

Fe₃C (Zementit) ist metastabil (zerfällt bei langzeitiger Erwärmung zu Fe + Graphit). Dennoch: Bei langsamen Erhitzen/Abkühlen nähert sich das System dem Gleichgewicht → Diagramm beschreibt Gleichgewichtsveränderungen hinreichend genau.

Welche Phasen gibt es im Fe-C-Phasendiagramm?

Phasenfelder: Ferrit (α), Zementit (Fe₃C), Austenit (γ), α+Fe₃C, α+γ, γ+Fe₃C.

Was ist das Kohlenstoff-Gleichgewichtsdiagramm?

Synonym für Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm / Fe-C-Gleichgewichtsdiagramm.

Kohlenstoffgehalt eutektoider Stahl?

0,8 % C. Gleichgewichtsmikrostruktur bei RT: Perlit.

Was ist Baustahl (Mild Steel)?

Ferritisches Eisen-Kohlenstoff-Material, niedrigpreisig, Eigenschaften für allgemeine Anwendungen geeignet. Niedrigkohlenstoff-Baustahl: gute magnetische Eigenschaften (hoher Fe-Anteil) → ferromagnetisch.

Woraus besteht Stahl?

Legierung Eisen + Kohlenstoff (C bis 2 %). Höherer C → Gusseisen. Weltweit meistverwendeter Werkstoff (Nählnadel bis Öltanker).

Bedeutung der A₀-Temperatur im Fe-Fe₃C-Diagramm?

A1-Linie = Eutektoidentemperatur = niedrigste T, bei der FCC-Eisen (γ) im Gleichgewicht existiert. Knapp über A1: ~25 % Austenit, ~75 % Ferrit.

Kritische Temperatur im Fe-C-Diagramm?

Für hypoeutektoide Stähle: Temperatur an der γ+α/γ-Phasengrenze (A3). Funktion des C-Gehalts: 910 °C (0 % C) → 727 °C (0,76 % C). Auch „obere kritische Temperatur“ hypoeutektoider Stähle genannt.

Eutektoide Temperatur im Fe-C-Diagramm?

Eutektoide Reaktion: 1 fester Phas → 2 feste Phasen. Fe-C-System: Eutektoid bei ~0,8 Gew.-% C, 723 °C. Phase knapp darüber: Austenit (γ).

Wichtigkeit des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms?

Zentrales Werkzeug zum Verständnis der Phasen/Gefüge von Stahl & Gusseisen. Beide = Fe-C-Legierungen mit Spurenelementen.

Ist Kohlenstoff FCC?

C löst sich besser in FCC (γ-Feld) als in BCC (α-Feld). C-Gehalt bestimmt beim Abkühlen aus FCC (oder Schmelze) das entstehende Gefüge: α-Eisen, C-Stahl (Perlit), Gusseisen.

Wie erkennt man BCC vs. FCC?

FCC: Atome an 8 Ecken + 6 Flächenmitten. BCC: 8 Ecken + 1 Würfelmittelpunkt. Unterschied: Atomare Anordnung.

Ist Stahl BCC oder FCC?

α-Phase (Ferrit) = BCC (weniger dicht gepackt als FCC). γ-Phase (Austenit) = FCC. Bei RT: Ferrit (BCC) vorherrschend in niedriglegierten Stählen.

Was ist das Eisen-Kohlenstoff-Gleichgewicht?

Im Gleichgewicht bildet sich proeutektoider Ferrit in Fe-C-Legierungen bis 0,8 % C. Reaktion bei 910 °C (reines Fe), bei Legierungen zwischen 910 °C und 723 °C.

Was ist Perlit im Fe-C-Diagramm?

Eutektoides Gemisch Zementit + Ferrit. Fe-Fe₃C-Diagramm ist kein echtes Gleichgewichtsdiagramm (Fe₃C metastabil, zerfällt langzeitig zu Fe + Graphit).

Was ist Ferrit im Fe-C-Diagramm?

α-Festkörperlösung. Interstitielle Lösung von wenig C in α-Fe (BCC). Max. Löslichkeit 0,025 % C (723 °C), 0,008 % C (RT). Weichste Struktur im Diagramm.

Welche Phase ist fast reines Eisen?

Reines Eisen (α-Fe, Ferrit) ändert Kristallstruktur über 910 °C → γ-Fe (Austenit).

Warum ist Acm-Linie steiler als A3-Linie?

Acm viel steiler → Proeutektoider Zementitanteil in kommerziellen Stählen sehr gering. Aber: Zum Auflösen dieses Zementits für vollständige Austenitisierung (Homogenisierung) sind sehr hohe Temperaturen nötig.