Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm verstehen: Schlüsselerkenntnisse für die Metallurgie

Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm

Phasendiagramme sind äußerst wichtige Werkzeuge beim Studium von Legierungen für die Lösung vieler praktischer Probleme in der Metallurgie. Diese Diagramme definieren die Stabilitätsbereiche einer Phase, die in einem Legierungssystem unter konstantem atmosphärischem Druck existieren kann. Für ein binäres System sind die Koordinaten Temperatur und Zusammensetzung. Die Wechselbeziehungen zwischen Phasen, Temperatur und Zusammensetzung in einem Legierungssystem werden durch Phasendiagramme normalerweise nur unter Gleichgewichtsbedingungen dargestellt. Solche Bedingungen treten bei langsamen Heiz- und Abkühlraten von Legierungen auf, wenn die Kinetik der Umwandlungen keine wichtige Rolle spielt.

In ihrer einfachsten Form sind Eisen und Stähle Legierungen aus Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C). Es gibt drei Arten von Ferrolegierungen: (i) Eisen mit C-Gehalt < 0,0008 % bei Raumtemperatur, (ii) Stähle mit C-Gehalt 0,008–2,14 % (normalerweise < 1 %) und Gefüge aus Ferrit und Zementit, (iii) Gusseisen mit C-Gehalt 2,14–6,7 % (normalerweise < 4,5 %). Das Studium der Konstitution und Struktur von Eisen und Stählen beginnt mit dem Eisen-Kohlenstoff-(Fe-C-)Phasendiagramm (Abb. 1). Das Fe-C-Phasendiagramm dient auch als Basis für das Verständnis von Wärmebehandlungsprozessen.

Abb. 1 Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm

Grundlagen und Phasen

Viele Grundmerkmale des Fe-C-Systems beeinflussen das Verhalten selbst der komplexesten Legierungen. Beispielsweise persistieren die im einfachen binären Fe-C-System gefundenen Phasen in komplexen Stählen, aber es ist notwendig, die Effekte von Legierungselementen auf Bildung und Eigenschaften dieser Phasen zu untersuchen. Das Fe-C-Diagramm bietet eine wertvolle Grundlage, auf der das Wissen über sowohl unlegierte als auch legierte Stähle aufgebaut werden kann.

C ist eine interstitielle Verunreinigung in Fe. Es bildet eine Mischkristalllösung mit den α-, γ- und δ-Phasen des Eisens. Maximale Löslichkeit von C in α-Eisen: 0,025 % bei 727 °C. Raumzentriert kubisches (BCC) Eisen hat relativ kleine interstitielle Positionen. Maximale Löslichkeit in γ-Eisen (flächenzentriert kubisch, FCC): 2,14 % bei 1148 °C. FCC-Eisen hat größere interstitielle Positionen. Mechanische Eigenschaften von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen hängen von ihrem Gefüge ab – also davon, wie die verschiedenen Phasen gemischt sind.

Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm in Abbildung 2 zeigt eigentlich zwei Diagramme: (i) das stabile Eisen-Graphit-Diagramm (rote Linien), (ii) das metastabile Fe-Fe₃C-Diagramm. Zementit ist metastabil; das wahre Gleichgewicht liegt zwischen Eisen und Graphit (C). Obwohl Graphit in Gusseisen umfangreich vorkommt, ist es in Stählen meist schwierig, diese Gleichgewichtsphase zu erhalten. Der stabile Zustand braucht sehr lange, besonders im niedrigen Temperatur- und Kohlenstoffbereich. Daher ist das normalerweise verwendete Gleichgewichtsdiagramm das metastabile Fe-Fe₃C-Diagramm, da es für das Verhalten der meisten Stähle in der Praxis relevant ist.

Details der stabilen und metastabilen Phasendiagramme des Fe-C-Systems, besonders auf der Fe-reichen Seite, sind besser bekannt als bei anderen binären Systemen vergleichbarer Komplexität. Es gibt jedoch noch erhebliche Bereiche, in denen das Phasendiagramm nicht gut etabliert ist, z. B. in Temperatur-, Zusammensetzungs- und Druckbereichen, die nicht direkt mit Eisen- und Stahlherstellung zusammenhängen.

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

Wichtige metallurgische Phasen und Mikrobestandteile

Im Fe-Fe₃C-System ist C eine interstitielle Verunreinigung in Fe. Es bildet Mischkristalle mit α (α-Ferrit), γ (Austenit) und δ (δ-Ferrit) Phasen des Eisens. Dies sind wichtige Phasen im Fe-Fe₃C-Phasendiagramm. Zwischen den Einphasenbereichen finden sich Zweiphasenbereiche: Ferrit + Zementit, Austenit + Zementit, Ferrit + Austenit. Bei höchsten Temperaturen liegt das Flüssigphasenfeld, darunter Zweiphasenfelder: Flüssig + Austenit, Flüssig + Zementit, Flüssig + Ferrit. Bei der Wärmebehandlung von Stählen wird die Flüssigphase stets vermieden. Im Eutektikum (4,26 % C) wandelt sich flüssige Legierung beim Abkühlen direkt in Austenit und Zementit ohne Zweiphasenfeld um. Ebenso im Eutektoid (0,76 % C): Austenit wandelt sich beim Abkühlen direkt in Ferrit und Zementit ohne Zweiphasenfeld um. Wichtige Grenzen an Einphasenfeldern haben spezielle Namen zur Erleichterung des Diagramverständnisses.

Hauptphasen von Eisen und Stählen im Gleichgewicht

• Ferrit oder α-Eisen-Phase: Stabile Eisenform bei Raumtemperatur. Weiche Niedrigtemperaturphase, stabiles Gleichgewichtsphase. Transformiert bei 910 °C zu FCC-Austenit (γ-Phase). Häufiger Bestandteil in Stählen, BCC-Struktur, weniger dicht gepackt als FCC. Weich, ziemlich duktil. Magnetisch unterhalb 768 °C. Geringe Festigkeit, gute Zähigkeit.
• Austenit oder γ-Eisen-Phase: Hochtemperaturphase. Mischkristall von C in FCC-Eisen. FCC-Struktur, dicht gepackt. Nicht magnetisch, duktil. Transformiert bei 1394 °C zu BCC-δ-Ferrit. Nicht stabil unter Eutektoidtemperatur (727 °C) außer bei schnellem Abkühlen. Gute Festigkeit und Zähigkeit.
• δ-Ferrit-Phase: Mischkristall von C in BCC-Eisen. Stabil nur bei Temperaturen > 1394 °C. Schmilzt bei 1538 °C. Paramagnetische Eigenschaften.
• Zementit (Fe₃C): Eisenkarbid. Intermetallische Verbindung von Fe und C. Komplexe orthorhombische Struktur, metastabile Phase. Hart, spröde. Geringe Zugfestigkeit, gute Druckfestigkeit, geringe Zähigkeit. Zersetzt sich (sehr langsam, über Jahre) in α-Ferrit und C (Graphit) bei 650–700 °C.

Vergleicht man Austenit mit Ferrit, ist die C-Löslichkeit in Austenit höher (max. 2,14 % bei 1148 °C). Diese hohe Löslichkeit ist extrem wichtig in der Wärmebehandlung: Lösungsglühen im Austenit gefolgt von schnellem Abschrecken ermöglicht Bildung einer übersättigten Mischkristalllösung von C in Fe. Die Ferritphase ist beschränkt (max. 0,025 % C bei 727 °C). Da der C-Bereich in gängigen Stählen 0,05–1,5 % beträgt, ist Ferrit normalerweise in irgendeiner Form mit Zementit assoziiert. Ebenso ist die δ-Phase sehr begrenzt (Temperaturbereich 1394–1538 °C) und verschwindet vollständig bei 0,5 % C.

Gefügebestandteile

Legierung eutektoider Zusammensetzung (0,76 % C) bildet bei langsamer Abkühlung Perlit – eine Schichtstruktur aus α-Ferrit und Zementit. Perlit ist das Ferrit-Zementit-Phasengemisch. Charakteristisches Erscheinungsbild, kann als mikrostrukturelle Entität behandelt werden. Aggregat abwechselnder Ferrit- und Zementitlamellen, das sich bei ausgedehntem Halten unter 727 °C entartet (sphäroidisiert/vergrobert) zu Zementitpartikeln in Ferritmatrix. Eutektoid, BCC-Struktur. Teilweise lösliche Lösung von Fe und C. Mechanisch: Eigenschaften zwischen weichem, duktilem Ferrit und hartem, sprödem Zementit. Hohe Festigkeit, geringe Zähigkeit.

Hypoeutektoide Legierungen enthalten Proeutektoid-Ferrit (oberhalb Eutektoidtemperatur gebildet) plus eutektoiden Perlit (eutektoiden Ferrit und Zementit). Hypereutektoide Legierungen enthalten Proeutektoid-Zementit (oberhalb Eutektoidtemperatur) plus Perlit mit eutektoidem Ferrit und Zementit.

Bei nicht-gleichgewichtsiger Erstarrung des Fe-C-Systems können zusätzliche Mikrostrukturtypen entstehen:

• Bainit: Phase zwischen Perlit und Martensit. Hartes metastabiles Mikrobestandteil, besteht aus nicht-lamellarem Gemisch von Ferrit und Zementit in extrem feiner Skala. Oberer Bainit: höhere Temperaturen, federartiges Aussehen. Unterer Bainit: niedrigere Temperaturen, nadelartiges (azikuläres) Aussehen. Härte nimmt mit abnehmender Bildungstemperatur zu. Gute Festigkeit und Zähigkeit.
• Martensit: Sehr harte kristalline Stahlstruktur. Benannt nach Adolf Martens. Entsteht durch schnelles Abkühlen, hart und spröde. Körperzentriert tetragonal (BCT) mit gelöstem C. Entsteht beim Abschrecken: FCC-Gitter des Austenits verzerrt sich zu BCT ohne Verlust der C-Atome in Zementit und Ferrit. Übersättigte Lösung von C-Atomen in Ferrit. Hartes metastabiles Phasen. Lamellenmorphologie bei C < 0,6 %, Plattenmorphologie bei C > 1 %, Mischung dazwischen. Hohe Festigkeit und Härte, geringe Zähigkeit.
• Sorbite/Troostite: Strukturen der unteren Perlitstufe mit sehr feinen Lamellen. Transformationsstrukturen der Perlitstufe bei steigenden Abkühlraten. Ändert Strukturverhältnis und Perlitbildung bezüglich Lamellenabstand. Nicht im Lichtmikroskop sichtbar.
• Widmanstätten-Ferrit: Entsteht, wenn hypoeutektoider unlegierter Stahl schnell von einer Temperatur über A₃ abgekühlt wird. Durch schnelle Abkühlung wenig Zeit für Ferritkristalle, sich nicht nur an Korngrenzen, sondern auch innerhalb großer Austenitkörner zu keimen. Sie wachsen schnell in bevorzugte Kristallrichtungen im Korn und werden langgestreckt. Struktur entweder Nadeln (Lamellen) oder Platten, die sich tendenziell in dieselbe Richtung innerhalb eines Korns ausrichten.

Wichtige Temperaturen und Kritische Punkte

Im Fe-C-Diagramm gibt es viele wichtige Temperaturen und kritische Punkte – sowohl grundlegend als auch praktisch. Dies sind Temperaturen, bei denen beim Abkühlen oder Erhitzen Phasenumwandlungen und magnetische Umwandlungen stattfinden. Temperaturen, bei denen Umwandlungen im festen Zustand erfolgen, heißen kritische Temperaturen oder kritische Punkte.

• A₀-Temperatur: Curie-Temperatur, bei der der magnetisch-nichtmagnetische Wechsel von Zementit beim Erhitzen erfolgt. Struktur kann Defekte wie Versetzungen, Fehlstellen, Leerstellen entwickeln. Zementit ist metallisch und ferromagnetisch mit Curie-Temperatur ca. 210 °C. Bei Legierung substituieren metallische Lösungsmittel auf Eisenplätze; kleinere Atome wie Bor ersetzen C an interstitiellen Plätzen.
• A₁-Temperatur: Temperatur (727 °C), bei der die eutektoide Umwandlung erfolgt. Perlit wandelt sich beim Erhitzen in Austenit um und umgekehrt.
• A₂-Temperatur: Curie-Temperatur von Ferrit (768 °C), wo ferromagnetischer Ferrit beim Erhitzen zu paramagnetisch wird. Keine Mikrostrukturänderung.
• A₃-Temperatur: Temperatur, bei der Ferrit beim Abkühlen hypoeutektoider Stähle gerade aus Austenit zu bilden beginnt oder letzte Spuren freien Ferrits beim Erhitzen in Austenit übergehen. Entspricht γ+α/γ-Phasengrenze für hypoeutektoide Stähle, Funktion des C-Gehalts: fällt von 910 °C bei 0 % C auf 727 °C bei 0,76 % C. Auch oberer kritischer Temperatur hypoeutektoider Stähle genannt. Intervall zwischen A₁ und A₃ = kritischer Bereich, in dem Austenit im Gleichgewicht mit Ferrit existiert.
• Acm-Temperatur: Temperatur in hypereutektoidem Stahl, bei der Proeutektoid-Zementit beim Abkühlen gerade aus Austenit zu bilden beginnt. Stellt γ/γ+Fe₃C-Phasengrenze dar, Funktion des C. Acm-Linie zeigt, dass feste Löslichkeit von C in Austenit sehr schnell abfällt: von max. 2,14 % bei 1148 °C auf max. 0,76 % bei 727 °C durch größere Stabilität von Zementit bei niedrigeren Temperaturen. Überschüssiges C fällt aus Austenit als Proeutektoid-Zementit in hypereutektoiden Stählen aus (auch sekundärer Zementit in Gusseisen genannt). Zementitabscheidung aus Austenit (beim Abkühlen) geht mit Wärmeentwicklung einher.
• A₄-Temperatur: Temperatur, bei der Austenit in δ-Eisen transformiert. Niedrigster Wert 1394 °C (reines Eisen). Steigt mit zunehmendem C-Gehalt.
• Mₛ-Temperatur: Temperatur, bei der Umwandlung von Austenit in Martensit beim Abkühlen beginnt.
• M_f-Temperatur: Temperatur, bei der Martensitsbildung beim Abkühlen endet. Alle Änderungen außer Martensitsbildung erfolgen beim Abkühlen bei niedrigeren Temperaturen als beim Erhitzen und hängen von der Temperaturänderungsrate ab.

Umwandlungsmechanismen

Austenit-Ferrit-Umwandlung

Unter Gleichgewichtsbedingungen bildet sich Proeutektoid-Ferrit in Fe-C-Legierungen bis 0,76 % C. Reaktion bei 910 °C in reinem Eisen, aber zwischen 910 °C und 727 °C in Fe-C-Legierungen. Durch Abschrecken vom austenitischen Zustand auf Temperaturen unter Eutektoidtemperatur kann Ferrit bis 600 °C gebildet werden. Ausgeprägte morphologische Änderungen bei sinkender Umwandlungstemperatur, allgemein anwendbar auf hypo- und hypereutektoide Phasen, mit Variationen durch präzise Kristallographie. Derselbe Grundsatz gilt für Zementitbildung aus Austenit, aber Ferrit und Zementit sind morphologisch gut unterscheidbar.

Austenit-Zementit-Umwandlung

Verschiedene Zementitmorphologien bilden sich bei progressiv niedrigeren Umwandlungstemperaturen. Die initiale Entwicklung von Korngrenzallotriomorphen ist Ferrit sehr ähnlich, und das Wachstum von Seitenplatten (Widmanstätten-Zementit) folgt demselben Muster. Allotriomorph hat Form, die nicht seine innere Kristallsymmetrie widerspiegelt, da er an Austenitkornoberflächen keimt und Schichten bildet, die Korngrenzkonturen folgen. Zementitplatten sind rigoroser kristallographisch, obwohl Orientierungsbeziehung zu Austenit komplexer. Wie bei Ferrit stammen die meisten Seitenplatten von Korngrenzallotriomorphen, aber bei Zementitreaktion keimen mehr Seitenplatten an Zwillingsgrenzen im Austenit.

Austenit-Perlit-Reaktion

Perlit ist die bekannteste Mikrostruktur im Fe-C-Phasendiagramm. Vor über einem Jahrhundert von Sorby entdeckt, der es korrekt als lamellares Gemisch von Eisen und Eisenkarbid annahm. Sehr häufiger Bestandteil vieler Stähle, liefert wesentlichen Festigkeitsbeitrag. Lamellare eutektoide Strukturen dieses Typs sind in der Stahlmetallurgie weit verbreitet. Gemeinsamkeiten mit zellulären Ausscheidungsreaktionen: Beide erfolgen durch Keimbildung und Wachstum, sind also diffusionsgesteuert. Perlitkeime an Austenitkorngrenzen, können aber auch mit Proeutektoid-Ferrit und -Zementit assoziiert sein. In kommerziellen Stählen können Perlitknollen an Einschlüssen keimen.