Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Verarbeitetes Eisen (Fe) enthält eine gewisse Menge an Kohlenstoff (C). Kohlenstoff ist das wichtigste Legierungselement im Eisen (da es ausschlaggebend für die Härte des Materials ist). Welche Anteile an Kohlenstoff im Eisen vorhanden sind und deren Auswirkungen auf die gefügemäßige Zusammensetzung, zeigt das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD). Das EKD ist ein Phasendiagramm, eine Art Gleichgewichtsschaubild (aus zwei Stoffen A und B, in diesem Fall Eisen und Kohlenstoff).

Aufbau des Phasendiagramms: Vertikale Achse zeigt die Temperatur, die horizontale Achse den Legierungsanteil (Kohlenstoffanteil). Das Diagramm zeigt bei korrekter (d.h. nicht zu schneller) Temperaturveränderung von warm zu kalt die Gefügebestandteile.

Zu benutzen ist das Phasendiagramm wie folgt: Legierungsanteil an Kohlenstoff (horizontal) festmachen, das Diagramm von höchster Temperatur (vertikal) herunter laufen lassen. Begonnen wird folglich immer bei der Schmelze (flüssiges Material), nach Abkühlung findet sich zumindest bei dem Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm immer festes bzw. erstarrtes Material.

Begriffsserklärung:

Das Eutektikum findet sich am Einschnürungspunkt. Die Legierungselemente stehen in genau dem Verhältnis, bei dem der Übergang bei beiden Legierungelementen von der Schmelze bei Abkühlung sofort in den festen Aggregatzustand wechselt.

Die Liquiduslinie trennt die vollkommende Schmelze von der Halbschmelze (ein Legierungelement ist flüssig, ein anderes nicht) und dem festen Material. Im Schaubild verläuft die Liquiduslinie wie folgt: A-B-C-D

Die Soliduslinie trenn die Schmelze und Halbschmelze von dem festen/erstarrten Material. Im Schaubild: A-H-I-E-C-F

Eigenschaften der vorkommenden Kristalle in der „Stahlecke“ (< 2,06% Kohlenstoff; Gusseisen > 2,06% Kohlenstoff):

Austenit ist nicht magnetisch, zäh aber weich, hitzebeständig, korrosionsbeständig, leicht verformbar. Austenit ist kubisch-flächenzentriert, daher können sich Kohlenstoffatome in die Kristallgittermitte eingliedern.

Im EKD ist Austenit nicht bei Raumtemperatur vorzufinden. Durch weitere Legierung mit Chrom, Nickel oder Mangan ist dies jedoch erreichbar.

Ferrit ist zäh aber weich, leicht verformbar, korrosionsanfällig. Da der Kristallaufbau kubisch-raumzentriert ist, findet sich kein Platz für Kohlenstoffatome. Dennoch kann Ferrit mit Kohlenstoff zwangslegiert werden, daraus ergibt sich dann Martensit. Martensit ist hart und dadurch spröde.

Perlit ist ein Gefüge, welches genau 0,83 % Kohlenstoff innehält. Perlit ist ein Kristallgemisch aus Ferrit und Zementit. Perlit zeichnet hohe Festigkeit aus, ist daher auch spröde. Erhöht sich der Kohlenstoffanteil über die 0,83% hinaus, bleibt der Perlit unverändert, an den Korngrenzen entsteht dann jedoch Zementit (zwischen 0,83 und 2,06% Kohlenstoffanteil). Der Zementit an den Korngrenzen wird Korngrenzenzementit bis Sekundarzementit genannt.

Zementit enthält 6,67 % Kohlenstoff, ist sehr fest und spröde. Zementit besteht aus einem sehr stark verwobenen Gitter aus Kohlenstoff und Eisen.