Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm erklärt: Gleichgewicht, Verwendung und Hauptphasen

Was sind Phasendiagramme?

Phasendiagramme sind grafische Darstellungen der in einer Legierung unter verschiedenen Temperatur-, Druck- und chemischen Zusammensetzungsbedingungen vorhandenen Phasen.

Die Erstarrung von Metalllegierungen wird durch Gleichgewichtsdiagramme eindeutig verständlich. Dies sind grafische Darstellungen von Zustandsänderungen aufgrund von Temperatur- und Konzentrationsänderungen. Da dieses Diagramm die Natur und Konstitution von Legierungen sowie die Menge und Zusammensetzung der Phasen in einem gegebenen System anzeigt, ist es auch als Konstitutionsdiagramm oder Phasendiagramm bekannt.

Merkmale und Verwendung von Gleichgewichtsdiagrammen

Gleichgewicht bedeutet, dass Änderungen, die in einem System als Ergebnis eines in eine Richtung ablaufenden Prozesses auftreten, vollständig durch Änderungen kompensiert werden, die durch die Umkehr des Prozesses im System entstehen. Es wird daher als dynamischer Zustand des Gleichgewichts zwischen atomaren Bewegungen betrachtet, bei dem das Resultat null ist.

Die Änderungsraten der Temperatur oder der Zusammensetzung waren während der experimentellen Arbeit extrem langsam, sodass die Legierung "zur Ruhe kommen" konnte, bevor eine Variable wie die Temperatur erneut geändert wurde. Der Zustand ist also einer der Ruhe und nicht der Veränderung.

Gleichgewichtsdiagramme zeigen folgendes an:

1. Temperatur, bei der die feste Legierung zu schmelzen beginnt und das Schmelzen beendet.
2. Mögliche Phasenumwandlungen, die als Folge von Änderungen der Zusammensetzung oder Temperatur eintreten.

Was stellt ein Gleichgewichtsdiagramm dar?

Das Diagramm beschreibt die geeigneten Bedingungen für das Koexistieren von zwei oder mehr Phasen im Gleichgewicht. Zum Beispiel beschreibt das Wasser-Phasendiagramm einen Punkt (Tripelpunkt), an dem Wasser gleichzeitig in drei verschiedenen Phasen koexistieren kann. Dies geschieht knapp über dem Gefrierpunkt (0,01 °C) und 0,006 atm.

Verwendung von Gleichgewichtsdiagrammen in der Metallurgie

• Entwicklung neuer Legierungen auf Basis von Anwendungsanforderungen.
• Herstellung dieser Legierungen.
• Entwicklung und Implementierung geeigneter Wärmebehandlungsverfahren zur Verbesserung der chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften dieser neuen Legierungen.
• Fehlerbehebung bei Problemen, die bei der Verwendung dieser neuen Legierungen auftreten, was letztlich die Produktvorhersagbarkeit verbessert.

Eisen-Kohlenstoff-Gleichgewichtsdiagramm

Das Eisen-Kohlenstoff-Gleichgewichtsdiagramm (auch Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm genannt) ist eine grafische Darstellung der jeweiligen Mikrostrukturzustände der Legierung Eisen-Kohlenstoff (Fe-C) in Abhängigkeit von Temperatur und Kohlenstoffgehalt.

Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm wird häufig verwendet, um die verschiedenen Phasen von Stahl und Gusseisen vollständig zu verstehen. Stahl und Gusseisen sind beide Eisen-Kohlenstoff-Legierungen. Zusätzlich enthalten beide Legierungen geringe Mengen an Spurenelementen.

Das Diagramm ist recht komplex, aber da wir unsere Untersuchung auf Fe₃C beschränken, betrachten wir nur bis zu 6,67 Gewichtsprozent Kohlenstoff.

Arten von Eisen-Kohlenstoff-Gleichgewichtsdiagrammen

Das binäre Eisen-Kohlenstoff-Gleichgewichtsdiagramm ist die Grundlage für Stahl und Gusseisen. Es betrifft Umwandlungen, die in Legierungen mit Zusammensetzungen von reinem Eisen bis Zementit (6,67 % Kohlenstoff) auftreten. Es gibt zwei Versionen des Eisen-Kohlenstoff-Gleichgewichtsdiagramms:

1. Eisen-Zementit-System.
2. Eisen-Graphit-System.

Diese beiden Systeme hängen von der Abkühlrate ab. Schnelles Abkühlen erzeugt Zementit, und das System wird als Eisen-Zementit-System bezeichnet. In diesem System erreichen die in den erstarrten Phasen gebildeten Strukturen nicht ausreichend vollständiges Gleichgewicht. Daher ist das Eisen-Zementit-System ein metastabiles System.

Langsames Abkühlen erzeugt Graphit, und das System wird als Eisen-Graphit-System bezeichnet. Die im erstarrten Zustand gebildeten Strukturen erreichen ausreichend vollständiges Gleichgewicht. Daher ist dies ein stabiles System.

Arten von Eisenlegierungen im Eisen-Kohlenstoff-Gleichgewichtsdiagramm

Die Gewichtsprozent-Skala auf der X-Achse des Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramms reicht von 0 % bis 6,67 % Kohlenstoff. Das Metall wird einfach als Eisen oder Reineisen bezeichnet bis zu einem maximalen Kohlenstoffgehalt von 0,008 Gewichtsprozent. Bei Raumtemperatur liegt es im Ferrit-Zustand vor.

Stahl ist eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,008 bis 2,14 Prozent. Stähle in diesem Bereich werden als niedriglegierter Stahl (oder Baustahl), mittelkohlenstoffhaltiger Stahl und hochkohlenstoffhaltiger Stahl bezeichnet.

Wenn der Kohlenstoffgehalt 2,14 Prozent übersteigt, erreicht man die Gusseisen-Stufe. Gusseisen ist extrem hart, aber seine Sprödigkeit schränkt seine Anwendungen und Umformverfahren stark ein.

Eisen-Zementit-System

Wenn eine Reihe von Zeit-Temperatur-Aufheizkurven für Stähle unterschiedlicher Kohlenstoffgehalte erstellt und die entsprechenden kritischen Punkte eingetragen werden, erhält man ein Diagramm ähnlich Abb. 2.14. Dieses Diagramm, das nur unter langsamen Abkühlbedingungen gilt, ist als partielles Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm bekannt. Anhand dieses Diagramms kann man die geeigneten Abschrecktemperaturen für jeden Kohlenstoffstahl leicht ablesen. Die kritischen Punkte in Abb. 2.14 auf der Linie PSK werden mit A₁ bezeichnet, jene auf der Linie GS mit A₃, und jene der Linie SE mit A_cm.

Eisen-Kohlenstoff-Gleichgewichtsdiagramm mit Erläuterung

Austenit

Austenit, Festlösung von Kohlenstoff und anderen Bestandteilen in einer bestimmten Form von Eisen, bekannt als γ (Gamma)-Eisen. Nehmen wir als Beispiel ein Stück Stahl mit 0,20 % Kohlenstoff, das auf eine Temperatur um 850 °C erhitzt wurde. Oberhalb von Ar₃, Punkt (GS-Linie), ist dieser Stahl eine Festlösung (interstitieller Typ) von Kohlenstoff in Gamma-Eisen und wird Austenit genannt. Er hat ein flächenzentriertes kubisches Gitter und ist nicht magnetisch.

Reiner Austenit kann bis zu etwa 2 % Kohlenstoff bei einer Temperatur von 1130 °C enthalten. Beim Abkühlen dieses Stahls beginnen die Eisenatome unterhalb des Punkts Ar₃ (GS-Linie), ein raumzentriertes kubisches Gitter zu bilden. Diese neu gebildete Struktur wird Ferrit oder Alpha-Eisen genannt und ist eine Festlösung von Kohlenstoff in Alpha-Eisen mit bis zu 0,008 % Kohlenstoff bei Raumtemperatur.

Wenn der Stahl auf Ar₁ (PSK-Linie) abgekühlt wird, bildet sich zusätzlicher Ferrit. An der Ar₁-Linie wird der verbleibende Austenit in eine neue Struktur umgewandelt, die Perlit genannt wird. Der Name Perlit rührt von seinem perlmuttartigen Glanz her. Er besteht aus abwechselnden Lamellen von Ferrit und Zementit und enthält etwa 87 % Ferrit. Perlit kann entweder eine fein- bis grob-lamellare oder granulare Struktur aufweisen. Dies ist ein fester Stoff, der mit Schneidwerkzeugen vernünftig gut zerspanbar ist, d. h., der Perlitbestandteil im Stahl ist zerspanbar.

Eutektoider Stahl

Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt des Stahls über 0,20 % sinkt die Temperatur, bei der der Ferrit erstmals aus dem Austenit ausscheidet, bis bei etwa 0,80 % Kohlenstoff (Punkt S) kein freier Ferrit mehr aus dem Austenit ausscheidet. Dieser Stahl wird eutektoider Stahl genannt und besteht zu 100 % aus Perlit.

Eutektoider Punkt

Was ist der eutektoide Punkt?

Der eutektoide Punkt in jedem Metall ist, wie bereits erwähnt, die niedrigste Temperatur, bei der Änderungen in einer Festlösung auftreten.

Wenn der Kohlenstoffgehalt des Stahls größer als eutektoid (0,8 % Kohlenstoff) ist, wird im Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm eine neue Linie beobachtet, die mit A_cm (S-Linie) bezeichnet ist. Diese Linie bezeichnet die Temperatur, bei der Eisenkarbid erstmals aus dem Austenit ausscheidet anstelle von Ferrit.

Das Eisenkarbid (Fe₃C) wird als Zementit bezeichnet. Es ist extrem hart, spröde und erscheint als parallele Platten (lamellare Schichten), als gerundete Partikel (Sphäroidite) oder als Hüllen um die Perlitkörner. Im Punkt C ist die eutektische Mischung mit 4,3 % Kohlenstoff als Ledeburit bekannt. Dieser wird in langsam abgekühlten Legierungen selten gesehen, da er aufgrund seiner instabilen Natur während des Abkühlens nach der Erstarrung in andere Phasen zerfällt.

Hypoeutektoid und Hypereutektoid

Stähle mit weniger als 0,80 % Kohlenstoff werden hypoeutektoid genannt, und solche mit mehr als 0,8 % Kohlenstoff werden hypereutektoid genannt. Diese Terminologie gilt nur für unlegierte und niedriglegierte Stähle. Bei hochlegierten Stählen wird die eutektoide Zusammensetzung verändert, und die Struktur existiert möglicherweise nicht einmal.

Es sollte zunächst darauf hingewiesen werden, dass das normale Gleichgewichtsdiagramm tatsächlich das metastabile Gleichgewicht zwischen Eisen und Eisenkarbid (Zementit) darstellt. Zementit ist metastabil, und das wahre Gleichgewicht sollte zwischen Eisen und Graphit liegen.

Obwohl Graphit in Gusseisen (2–4 Gew.-% C) umfangreich auftritt, ist es in Stählen (0,03–1,5 Gew.-% C) meist schwierig, diese Gleichgewichtsphase zu erhalten. Daher sollte das metastabile Gleichgewicht zwischen Eisen und Eisenkarbid betrachtet werden, da es für das Verhalten der meisten Stähle in der Praxis relevant ist.

Eisen-Graphit-System

Bereits erwähnt wurde, dass Eisenkarbid oder Zementit metastabil ist, obwohl es unter normalen Bedingungen unbegrenzt fortbesteht. Wenn Zementit zerfällt, geschieht dies gemäß der Reaktion:

Fe₃C ⇌ 3Fe + C

In der stabilen Phase tritt freier Kohlenstoff oder Graphit anstelle der als Zementit bekannten Phase auf. Bei geringer Unterkühlung bildet sich Graphit, wenn Gusseisen aus dem flüssigen Zustand erstarrt. Langsames Abkühlen fördert die Graphitisierung. Schnelles Abkühlen unterdrückt die Graphitisierung teilweise oder vollständig und führt zur Bildung von Zementit.

Ein Eisen-Graphit-System (als gestrichelte Linie) ist in Abb. 2.14 dargestellt. Als Illustration wird der Fall einer Kohlenstofflegierung mit 3,5 Gew.-% Kohlenstoff herangezogen.

Im Punkt 1 befindet sich die Legierung im flüssigen Zustand. Im Punkt 2 auf der Abkühllinie tritt die Reaktion auf, die wie folgt ausgedrückt werden kann:

[Grafik/Formel nicht verfügbar]

Zwischen den Punkten 2 und 3 wird der überschüssige Kohlenstoff im Austenit als freier Graphit und nicht als Zementit ausgefällt. Im Punkt 3 tritt die eutektoide Reaktion auf. Dies wird ausgedrückt als:

[Grafik/Formel nicht verfügbar]

Der Mechanismus der eutektoiden Umwandlung muss eine einzelne feste Phase in zwei andere umwandeln, beide mit Zusammensetzungen, die von der ursprünglichen abweichen.

Als Beispiel für die eutektoide Zersetzung von Eisen: Austenit mit 0,8 % C wandelt sich in Ferrit (Eisen mit fast keinem Kohlenstoff) und Zementit (Fe₃C, mit 25 at.% Kohlenstoff) um. Daher müssen sich Kohlenstoffatome zusammen diffundieren, um Fe₃C zu bilden, wobei Ferrit zurückbleibt. Kerne kleiner Ferrit- und Zementitplatten bilden sich an den Korngrenzen des Austenits, und die Kohlenstoffdiffusion findet auf sehr lokaler Skala direkt vor der Grenzfläche statt (schematisch unten).

Daher wachsen die Platten und verbrauchen den Austenit, um Perlit zu bilden. Der Prozess der Graphitisierung wird durch Variation der Abkühlrate und durch geeignete Legierung der metallischen Matrix gesteuert.

Begriffe im Eisen-Kohlenstoff-Gleichgewichtsdiagramm

Eutektischer Punkt

Der eutektoide Punkt in jedem Metall ist die niedrigste Temperatur, bei der Änderungen in einer Festlösung auftreten.

Eutektische Reaktionen treten an diesen Punkten auf, wo eine flüssige Phase in eine Mischung aus zwei festen Phasen erstarrt. Dies geschieht, wenn eine flüssige Legierung eutektischer Zusammensetzung bis zu ihrer eutektischen Temperatur abgekühlt wird.

Eutektische Legierungen sind die Legierungen, die an diesem Punkt entstehen. Legierungen links und rechts von diesem Punkt werden als hypoeutektische und hypereutektische Legierungen bezeichnet ('hypo' im Griechischen bedeutet weniger als, 'hyper' bedeutet größer als).

Austenit

Austenit, Festlösung von Kohlenstoff und anderen Bestandteilen in einer bestimmten Form von Eisen, bekannt als γ (Gamma)-Eisen.

Diese Phase ist eine Festlösung von Kohlenstoff in FCC-Eisen mit einer maximalen Löslichkeit von 2,14 % C. Bei weiterer Erwärmung wandelt sie sich bei 1395 °C in BCC-Ferrit um. γ-Austenit ist bei Temperaturen unter der eutektischen Temperatur (727 °C) instabil, es sei denn, er wird schnell abgekühlt.

Alpha-Eisen oder Ferrit

Bei niedrigen Temperaturen und geringem Kohlenstoffgehalt bestehend, ist α-Ferrit eine Festlösung von Kohlenstoff in BCC-Eisen. Diese Phase ist bei Raumtemperatur stabil. Im Diagramm ist sie als schmaler Streifen am linken Rand mit der Y-Achse links und A₂ rechts zu sehen. Diese Phase ist unterhalb von 768 °C magnetisch.

Sie hat einen maximalen Kohlenstoffgehalt von 0,022 % und wandelt sich bei 912 °C in γ-Austenit um, wie im Diagramm dargestellt.

Zementit

Zementit, eine metastabile Phase dieser Legierung mit fester Zusammensetzung Fe₃C, ist eine metastabile Phase dieser Legierung. Bei Raumtemperatur zersetzt sie sich extrem langsam in Eisen und Kohlenstoff (Graphit).

Diese Zersetzungszeit ist lang und dauert viel länger als die Lebensdauer der Anwendung bei Raumtemperatur. Andere Faktoren wie hohe Temperaturen und die Zugabe bestimmter Legierungselemente können diese Zersetzung beeinflussen, indem sie die Graphitbildung fördern.

Zementit ist hart und spröde, was es ideal für die Stahlverstärkung macht. Seine mechanischen Eigenschaften werden durch seine Mikrostruktur bestimmt, die davon abhängt, wie es mit Ferrit vermischt ist.

Wir haben versucht, alle Begriffe im Zusammenhang mit dem Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm einschließlich der verschiedenen Phasen und verwendeten Begriffe abzudecken, um ein besseres Verständnis zu ermöglichen. Hoffentlich hat Ihnen dieser Artikel über das Eisen-Kohlenstoff-Gleichgewichtsdiagramm gefallen. Bitte geben Sie Ihr Feedback in den Kommentaren unten.