Das Zustandsschaubild Eisen - Kohlenstoff

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1 Werkstoffkunde Teil 9 IWS - FH Hamburg Prof. Dr.-Ing. H. Horn Seite 1 von 11 Das Zustandsschaubild Eisen - Kohlenstoff Allgemeiner Aufbau In Bild 1 ist der praktisch wichtige Teil des Zustandsschaubildes Eisen-Kohlenstoff bis 7 Massenprozent Kohlenstoff wiedergegeben; es handelt sich also um ein Teildiagramm. Im System Eisen-Kohlenstoff kann der Kohlenstoff sowohl in elementarer Form als hexagonal kristallisierender Graphit auftreten, als auch in Form der chemischen Verbindung Fe 3 C, dem rhombisch kristallisierenden Eisenkarbid oder Zementit. Da entsprechend der Zusammensetzung: Fe 3 C ein Atomverhältnis von 3 : 1 besteht, ergibt sich für 100% Zementit unter Verwendung der Molekularmassen ein C-Gehalt von 6,67%. Bild 1: Das Zustandsdiagramm Eisen-Fe 3 C Es liegt also ein vollständiges Eisen-Eisenkarbid-Diagramm vor. Da Zementit bei langzeitiger Glühbehandlung in Fe und Kohlenstoff zerfällt, wird er als instabil bezeichnet. Er ist aber soweit beständig, dass er bei den meisten Wärmebehandlungen des Stahl erhalten bleibt und als eigene Phase auftritt. Dieses Verhalten bezeichnet man als metastabil. Im metastabilen System Eisen-Eisenkarbid tritt der Kohlenstoff als Zementit auf, es

2 Werkstoffkunde Teil 9 IWS - FH Hamburg Prof. Dr.-Ing. H. Horn Seite 2 von 11 ist gültig für Stahl, weißes Roheisen und Hartguß. Im stabilen System Eisen-Kohlenstoff tritt der Kohlenstoff als Graphit auf, dementsprechend unterscheiden sich beide Systeme geringfügig. Das stabile System ist gültig für graues Roheisen und graphithaltiges Gußeisen. Bei sehr langsamer Abkühlung bildet sich bevorzugt Graphit, bei höherer Abkühlgeschwindigkeit Zementit. Beim Glühen kohlenstoffreicher Legierungen kann sich unter Verringerung des Zementitgehaltes Graphit bilden, in kohlenstoffärmeren Legierungen ist die Neigung zur Bildung elementaren Kohlenstoffs allerdings viel geringer. Da der Aufbau der Stähle in erster Linie von dem metastabilen Gleichgewicht Eisen-Eisenkarbid bestimmt wird, ist dieses das technisch wichtigere. In diesem Teildiagramm sind 3 Phasenumsetzungen zu beobachten: 1. bei 1493 C eine peritektische Umsetzung bei Legierungen von 0,1 bis 0,51% C, technisch unbedeutend. Deshalb wird auf die weitere Besprechung an dieser Stelle verzichtet. 2. Wichtiger ist die eutektische Umsetzung der Schmelze zwischen 2,06 und 6,67% C bei einer Temperatur von 1147 C. Das Eutektikum besteht aus γ-mk und Zementit (nach A. Ledebur als Ledeburit bezeichnet). 3. Von besonderer Bedeutung ist der eutektoide Zerfall des γ-mk in α-mk und Zementit. Unter einer eutektoiden Reaktion wird die Umsetzung einer festen Phase nach dem Mechanismus der eutektischen Reaktion verstanden. Das Eutektoid führt die Bezeichnung Perlit, da das Gefüge im Schliff ein perlmuttartiges Aussehen zeigt. Die Umwandlung erfolgt bei 723 C. Im folgenden sollen die Erstarrungsvorgänge für verschiedene Legierungen besprochen werden. 0-2,06% C (Stahl): Aus der Schmelze scheiden sich unterhalb der Liquidus- Linie AC die γ-mischkristalle aus, welche nach Robert Austen als Austenit bezeichnet werden. Sie sind zunächst kohlenstoffarm, bei weiterem Wachstum reichern sie sich mit Kohlenstoff an. Gleichzeitig nimmt der Anteil der Restschmelze ab, da sie durch die sich bildenden Mischkristalle aufgezehrt wird. Bei vollständiger Erstarrung liegt ein Gefüge aus γ-mk vor. Dieser besteht aus kfz γ-eisen mit eingelagerten C-Atomen (siehe Bild 2). Es handelt sich demnach um einen Einlagerungsmischkristall, in Bild 2: Löslichkeit für Kohlenstoff in kfz und deren Elementarzellen- Würfel C-Atome krz Gitter eingelagert sind. Da das kfz-gitter aus zwei einfachen Würfelsystemen besteht, bei denen die Eckpunkte des einen in den Flächenmittelpunkten des anderen liegen, befinden sich die Kohlenstoffatome auf Halbierungspunkten der Würfelkanten s. Bild 2. Die γ-mk wachsen frei und unbehindert in der Schmelze, sie haben eine langgestreckte Form mit Seitenästen, sog. Tannenbaumkristalle oder Dendriten.

3 Werkstoffkunde Teil 9 IWS - FH Hamburg Prof. Dr.-Ing. H. Horn Seite 3 von 11 Das Lösungsvermögen der γ-mk für C-Atome ist begrenzt (Mischungslücke), die maximale Konzentration der γ-mk mit C-Atomen liegt bei 2,06% (Punkt E). 2,06-4,3% C (untereutektische Legierungen) scheiden unterhalb der Liquidus-Linie AC γ-mk aus der Schmelze aus. Mit sinkender Temperatur steigt deren C-Gehalt, maximal bis 2,06% C. Mit sinkender Temperatur steigt ebenfalls der C-Gehalt der Restschmelze. Bei der eutektischen Temperatur 1147 C besitzt die Restschmelze die eutektische Zusammensetzung von 4,3% C. Unterhalb der Solidus- Linie EC liegen also γ- MK und das Eutektikum (Ledeburit) vor. Bei weiterer Abkühlung erfolgt die Ausscheidung von Sekundär-Zementit aus den γ-mk unterhalb 1147 C entsprechend der Phasengrenzlinie SE. 4,3-6,67% C (übereutektische Legierungen) verhalten sich bei der Abkühlung wie die Legierungen mit vollständiger Unlöslichkeit. Es scheidet sich die Komponente aus, die im Überschuß gegenüber der eutektischen Zusammensetzung vorhanden ist. Hier sind es die Eisenkarbid-Kristalle (Zementit). Die Restschmelze verarmt an Kohlenstoff und nähert sich der eutektischen Zusammensetzung, die sie Bild 3: Vereinfachtes Eisen-Kohlenstoffdiagramm bei 1147 C (Solidus- Linie) erreicht. Dann erstarrt die Restschmelze zum Eutektikum, eingebettet sind die Primär-Zementit-Kristalle. Der überschüssige Kohlenstoff scheidet sich als Zementit aus. Das Eutektikum besteht aus γ-mk und Zementit in feinkörnigem Gemenge und wird als Ledeburit bezeichnet. Eine vereinfachte Darstellung der bei langsamer Abkühlung entstehenden Gefügearten gibt Bild 3.

4 Werkstoffkunde Teil 9 IWS - FH Hamburg Prof. Dr.-Ing. H. Horn Seite 4 von 11 Umwandlung im festen Zustand Die Analogie der Umwandlungen im festen Zustand im Bereich der sog. Stahlecke des EKD zu einem eutektischen System mit Mischungslücke ist Bild 4 zu entnehmen. Bild 4: Analogie zwischen einem Kristallisationssystem mit linksseitiger Löslichkeit und rechtsseitiger Unlöslichkeit im festen Zustand (links) zur Umwandlung im festen Zustand im Eisenkohlenstoff-Diagramm links in der Stahlecke (rechts) Legierungen mit 0-0,02% C (α-mischkristall-legierungen) bestehen oberhalb der GS- Linie(A 3 -Linie) aus Austenit. Fällt die Temperatur unter GS, so beginnt bei einigen Kristallen die Umwandlung des γ ΜΚ in den α ΜΚ. Im γ MK ist der Mittelpunkt der Elementarzelle von einem C-Atom besetzt, im α-würfel, einem kubischraumzentrierten Gitter (Ferrit), ist der Mittelpunkt durch ein Eisenatom besetzt. Die Umwandlung des γ- MK erfolgt durch eine als "umklappen" bezeichnete Umorientierung(Bild 5). Dadurch wird das eingelagerte C-Atom verdrängt und diffundiert in die noch vorhandenen γ-mk. Bild 5: Durch Umorientierung entsteht aus dem kfz-gitter eine rz-tetragonale Zelle. Durch Verlängerung der Grundkante und Verkürzung der senkrechten Kante entsteht das krz-gitter. Bild 6: Das Zustandsgebiet des α MK Es scheiden sich also mit sinkender Temperatur aus den γ-mischkristallen (Austenit) α-mk (Ferrit) mit sehr geringem Kohlenstoffgehalt aus. Unterhalb der Linie GP liegen bis 723 C homogene α-mk vor.

5 Werkstoffkunde Teil 9 IWS - FH Hamburg Prof. Dr.-Ing. H. Horn Seite 5 von 11 Der maximale Kohlenstoffgehalt liegt bei 0,02% C. Der restliche Austenit reichert sich entsprechend der Kurve GS an C an, maximal bis zur eutektoiden Zusammensetzung von 0,8% C. Aus dem Ferrit scheidet sich bei weiterer Abkühlung unter 723 C Eisenkarbid (Tertiärzementit) entsprechend der Löslichkeitslinie PQ aus(bild 6). Bild 7: Lamellarer Perlit: schematische Darstellung der Wachstumsfront 0,02-0,8% C (untereutektoide Legierungen) scheiden unterhalb der Linie GS (A3) αmk aus den γ MK aus. Die α-mk lagern sich bevorzugt auf den Korngrenzen ab. Mit sinkender Temperatur erreichen sie bei 723 C die Sättigung an Kohlenstoff bei 0,02% C. Mit sinkender Temperatur steigt auch der C-Gehalt der γ-mk; die nicht mehr im αgitter zu haltenden C-Atome sind in die γ-mk eindiffundiert. Hat die Legierung die Temperatur 723 C erreicht, so besteht sie immer aus einem bestimmten Ferritanteil und einem entsprechenden Austenitanteil, der stets den C-Gehalt von 0,8% C besitzt. Es erfolgt eine eutektoide Umwandlung in α-mk und Fe3C. Das Eutektoid trägt die Bezeichnung Perlit. Die Umwandlung der γ-mk in Perlit beginnt an den Korngrenzen der α-mk und γ-mk und wächst büschelförmig in das γ Korn hinein. Daher erscheinen die vorher vorhandenen α-mk im Perlitgefüge mehr oder weniger netzförmig verteilt. Bei der Perlitbildung entstehen durch Diffusion von C-Atomen schichtweise angeordnete lamellare Bereiche. Eine Lamelle ist soweit an C verarmt, daß sie nur noch 0,02% C enthält und in das α-gitter umklappen kann. Die nächste (dünnere) Lamelle entsteht durch Umbildung zu Zementit (Fe3C), da eine Anreicherung an Kohlenstoff auf 6,67% C erreicht war. Das Austenitkorn wird so im steten Wechsel schichtweise in den Perlit umgebaut (siehe Bild 7). Der Mechanismus der Perlitbildung ist von wesentlicher Bedeutung für die Wärmebehandlung der Stähle. Bei weiterer Abkühlung müssen die α-mk entsprechend der Linie PQ C-Atome abgeben. Es bildet sich Zementit (Teritär-Zementit). Er tritt nicht als besonderer Gefügebestandteil auf, weil er an den als Keim wirkenden Zementit des Perlits ankristallisiert, sh. Bild 8.

6 Werkstoffkunde Teil 9 IWS - FH Hamburg Prof. Dr.-Ing. H. Horn Seite 6 von 11 0,01% C: Reineisen, Tiefziehbleche, Stanzteile, Nägel, Niete 0,2% C: Baustähle, Profile, schweißgeeignete Stähle, Stähle für Einsatzhärtung Bild 8: Umwandlungsvorgänge für untereutektoide Stähle bei langsamer Abkühlung

7 Werkstoffkunde Teil 9 IWS - FH Hamburg Prof. Dr.-Ing. H. Horn Seite 7 von 11 Legierung bei 0,8% C (eutektoide Legierung = Perlit). Der Austenit zerfällt wie bereits oben beschrieben bei 723 C eutektoid in zwei neue Kristallarten, den α-mk und den Zementit Fe 3 C. (Bild 9a) Legierungen mit 0,8-2,06% C (übereutektoide Legierungen). Das Lösungsvermögen des Austenits für die eingelagerten C-Atome beträgt maximal 2,06% C bei 1147 C. An der Ausscheidungslinie E-S wird der nicht mehr in Lösung zu haltende Kohlenstoff in Form von Zementitkristallen ausgeschieden. Dieser Zementit wird Sekundärzementit genannt. Die Zementitausscheidung erfolgt während der Abkühlung auf 723 C so lange, bis der verbleibende Austenit seinen C-Gehalt auf 0,8% C erniedrigt hat. Es erfolgt die Eutektoidbildung, d.h. die Perlit-Bindung als Kristallgemisch aus Ferrit und Zementit. Der vorher bei der Ausscheidung aus dem Austenit entstandene Sekundärzementit hat sich schalenförmig um die Austenit-Körner gelegt. Bild 9: Umwandlungsvorgänge für übereutektoide Stähle bei langsamer Abkühlung 0,8% C: Werkzeugstähle, Gesenke zum Kaltpressen 1,5% C: obere Grenze für Werkzeugstähle. Maschinenteile für hohe Verschleißbeanspruchung

8 Werkstoffkunde Teil 9 IWS - FH Hamburg Prof. Dr.-Ing. H. Horn Seite 8 von 11 Beim eutektoiden Zerfall entsteht aus dem Austenitkorn ein Perlitkorn. Die Legierung besteht demnach aus Perlit (α-mk + Fe 3 C), der mit einem Netz von Sekundär-Zementit (Schalenzementit) durchsetzt ist. Im festen Zustand ausgeschiedener Zementit ist feiner als der direkt aus der Schmelze gewachsene Primär-Zementit. Legierungen mit 2,06-4,3% C (untereutektische Legierungen). Sie enthalten nach der Erstarrung gesättigte γ-mk mit 2,06% C. Mit fortschreitender Abkühlung erfolgen die beschriebenen Ausscheidungen von Sekundär-Zementit an den Korngrenzen der γ-mk entsprechend der Segregatlinie ES. Bei 723 C haben sie ebenfalls eine Zusammensetzung von 0,8% C erreicht, dann erfolgt die Perlitbildung. Bei Raumtemperatur bestehen die Legierungen aus dem Eutektikum Ledeburit mit eingebettetem Perlit, der selbst noch Korngrenzen-Zementit (Sekundär-Zementit) besitzt. Legierungen mit 4,3-6,67% C (übereutektische Legierungen). Da diese Legierungen keine "selbständigen" γ-mk enthalten sondern dieses nur im Ledeburit vorliegt, erscheint auch kein Perlit-Gefüge. Zusammenfassende Übersicht über die Gefügebestandteile im Fe-Fe 3 C-Diagramm Austenit: γ-mischkristall, kfz-gitter mit gelöstem C. Max. Löslichkeit bei 1147 C 2,06% C, unmagnetisch, Wärmeausdehnungskoeffizient größer als der des Ferrits, Wärmeleitzahl kleiner als der des Ferrits. Ferrit: 1. α-eisen 2. α-mischkristall, krz-gitter mit wenig gelösten C. Max. Löslichkeit bei 723 C 0,02% C, bei 20 C <0,001% C, magnetisch Zementit: Intermetallische Verbindung Fe 3 C (6,67% C), rhomboedrisches Gitter, wenig verformungsfähig Perlit: Eutektoid bestehend aus Ferrit und Zementit in feiner streifiger bzw. flächenhafter Verteilung. Die Lamellenbreite nimmt mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit ab. Ledeburit: Eutektikum bestehend zunächst aus Austenit und Zementit, nach Erreichen von PSK (723 C) wandelt sich der Austenit in Perlit um.

9 Werkstoffkunde Teil 9 IWS - FH Hamburg Prof. Dr.-Ing. H. Horn Seite 9 von 11 Bild 10: Übersicht über die entstehenden Gefüge (vereinfacht schematisch) Eigenschaften in Abhängigkeit vom C-Gehalt Mit steigendem Kohlenstoffgehalt: 1. erscheint mehr und mehr Perlit im Gefüge 2. bei 0,8%C besteht das Gefüge nur aus Perlit 3. bei höherem C-Gehalt ist als neuer Gefügebestandteil Sekundär-Zementit zu erkennen, der das Perlit-Gefüge als Netz durchsetzt 4. bei den Legierungen mit über 2,06% C erscheint als weiterer Gefügebestandteil der Ledeburit 5. mit steigendem C-Gehalt überwiegt Ledeburit immer mehr, Perlit und Sekundär-Zementit nehmen ab 6. bei 4,3%C besteht das Gefüge nur aus Ledeburit 7. noch höhere C-Gehalte lassen dann Primär-Zementit erscheinen, bis bei 6,67% C das Gefüge aus reinem Zementit besteht. Beeinflussung mechanischer Eigenschaften Mit steigendem Anteil des harten Zementits steigt Härte des Gefüges fast gradlinig. Die Zugfestigkeit steigt zunächst bis 0,8% C, der dann erscheinende Korngrenzenzementit zwischen den Körnern verringert sie wieder. Bruchdehnung und Brucheinschnürung sind am höchsten bei reinem Ferritgefüge, der spröde Zementit mindert diese Eigenschaft, so dass sie ebenso wie die Kerbschlagzähigkeit absinken. Beeinflussung technologischer Eigenschaften: Die Warmformbarkeit sinkt mit steigendem C-Gehalt, die Grenze der Schmiedbarkeit liegt bei 2% C.

10 Werkstoffkunde Teil 9 IWS - FH Hamburg Prof. Dr.-Ing. H. Horn Seite 10 von 11 Die Kaltformbarkeit wird durch den, harten, spröden Zementit verringert, die Grenze liegt bei etwa 0,8% C. Je höher der C-Gehalt, umso größere Kräfte sind für die Umformung erforderlich. Die Schweißeignung ist stark mit dem Kohlenstoffgehalt verknüpft. Die Schweißeignung ist am besten bei C-armen Stählen, bis 0,22% C sind Stähle gut schweißbar. Bei höheren C-Gehalten ist eine Schweißung nur unter besonderen Bedingungen möglich (Vorwärmung, besondere Zusatzwerkstoffe, besondere Schweißverfahren). Die Zerspanbarkeit hängt eng mit der Zugfestigkeit und der Härte zusammen, so daß zunehmender C-Gehalt die Zerspanbarkeit verbessert; tritt dagegen der Kohlenstoff als Graphit auf, so wird durch seine Schmierwirkung die Zerspanbarkeit wieder verschlechtert.

11 Werkstoffkunde Teil 9 IWS - FH Hamburg Prof. Dr.-Ing. H. Horn Seite 11 von 11