Overview
In dieser Vorlesung wurde das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm als zentrales Hilfsmittel zur Werkstoffkunde von Stählen und Gusseisen erklärt, mit Fokus auf Phasen, Umwandlungen und technische Bedeutungen.
Einführung in das Eisen-Kohlenstoff-System
- Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm bildet die Grundlage aller Stähle- und Gusseisenwerkstoffe.
- Mechanische Eigenschaften von Stählen und Gusseisen können durch Umwandlungsverhalten und Phasen gezielt eingestellt werden.
- Stahl besteht nach DIN EN 10.020 Teil 1 aus maximal 2% Kohlenstoff, der Rest hauptsächlich aus Eisen.
- Es gibt über 2500 verschiedene Stahlsorten aufgrund vielfältiger Einstellungsmöglichkeiten (Wärmebehandlung, Legierung).
Gitterstrukturen und Umwandlungen
- Eisen ist polymorph und tritt in mehreren Gitterarten auf: Delta-Eisen (kubisch raumzentriert), Gamma-Eisen (kubisch flächenzentriert), Alpha-Eisen (kubisch raumzentriert).
- Erstarrung zu Delta-Eisen bei 1536°C, Umwandlung zu Gamma-Eisen bei 1401°C, erneute Umwandlung zu Alpha-Eisen bei 911°C.
- Alpha-Eisen (Ferrit) ist ferromagnetisch bis zur Curie-Temperatur (769°C).
- Gamma-Eisen (Austenit) löst mehr Kohlenstoff und ist besser verformbar als Ferrit.
Löslichkeit von Kohlenstoff
- Ferrit löst maximal 0,02% Kohlenstoff, Austenit bis zu 2,06%.
- Gitterlücken im Austenit sind größer und ermöglichen höhere Kohlenstoffaufnahme.
Aufbau des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms
- Im stabilen System scheidet sich Kohlenstoff als Graphit aus, im metastabilen System als Zementit (Fe₃C).
- Technisch wichtig sind Konzentrationen unterhalb 6,67% Kohlenstoff (Grenze für Zementit).
- Phasen: Ferrit (Alpha), Austenit (Gamma), Zementit (Fe₃C), Schmelze, Graphit.
Eutektische und eutektoide Umwandlungen
- Eutektischer Punkt: 4,3% C, 1147°C → Ledeburit (Mischung aus Austenit und Zementit), hart und spröde.
- Eutektoider Punkt: 0,8% C, 723°C → Perlit (Ferrit und Zementitlamellen), zäh und fest.
- Peritektischer Punkt: 0,16% C, 1493°C; technisch weniger relevant.
Zementit-Typen und Namen der Gefügebestandteile
- Primärzementit: aus Schmelze (Linie CD).
- Sekundärzementit: aus Abscheidung im Austenit (Linie SEF).
- Tertiärzementit: aus Ferrit (Linie PQK), Anteil sehr gering.
Einschränkungen und Bedeutung
- Legierungselemente verändern Gefüge und Phasen, daher sind Diagrammaussagen begrenzt.
- Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm vermittelt aber wichtige Grundlagen und Prinzipien für Werkstoffe.
Key Terms & Definitions
- Eutektikum — Mischung, die beim Erstarren bei konstanter Temperatur entsteht (hier: Ledeburit).
- Eutektoid — Mischung, die beim festen Zustand umgewandelt wird (hier: Perlit).
- Ferrit — Alpha-Eisen (kubisch raumzentriert), geringe Kohlenstofflöslichkeit, ferromagnetisch.
- Austenit — Gamma-Eisen (kubisch flächenzentriert), hohe Kohlenstofflöslichkeit, gut verformbar.
- Zementit — Eisenkarbid (Fe₃C), hart und spröde, maximal 6,67% C.
- Curie-Temperatur — Temperatur, bei der Eisen seine ferromagnetischen Eigenschaften verliert.
Action Items / Next Steps
- Lernziele: Eutektischer und eutektoider Punkt (4,3%/1147°C und 0,8%/723°C) merken.
- Nächstes Video: Detaillierte Betrachtung der Teilbereiche des metastabilen Eisen-Kohlenstoff-Diagramms.