Materialwissenschaften

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

In diesem Artikel zeigen wir dir das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD). Das ist ein Phasendiagramm für das Zweikomponentensystem Eisen und Kohlenstoff, in welchem die Temperatur über das Massenprozent des Kohlenstoffgehalts aufgetragen ist. Eine allgemeine Erklärung des Zustandsdiagramms in der Werkstoffkunde haben wir dir hier auch verlinkt.

Schau dir doch am besten unser Video an, hier behandeln wir alles Wichtige zu den Eigenschaften eines Eisen Kohlenstoff Gemisches in wenigen Minuten.

Inhaltsübersicht

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Erklärung

Merke
Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD) ist ein Phasendiagramm für ein binäres System zwischen den Elementen Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C). In diesem kann in Abhängigkeit der Konzentration der einzelnen Elemente und der Temperatur, das Verhalten des Gemisches abgelesen und bestimmt werden.

So lassen sich beispielsweise die Funktionen von Gusseisen besser gestalten.

Insgesamt können zwei Formen des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms betrachtet werden: Das metastabile System (Fe - Fe_{3} C), in welchem der Kohlenstoff gebunden ist und das stabile System (Fe-C). Im stabilen System liegt der Kohlenstoff in der Form von Graphit elementar vor. Beide Systeme können in einem Diagramm abgebildet werden, allerdings wird normalerweise das metastabile System benutzt.

Steht dahingegen eine zeitliche Gefügeentwicklung bei unterschiedlich schneller Abkühlung im Fokus, ist ein ZeitTemperatur Umwandlungsschaubild notwendig.

Eisen Kohlenstoff Gemisch

Der Anteil des Kohlenstoffs in einer Legierung von Stahl hat Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften. Bereits kleine Konzentrationsänderungen können hier große Auswirkungen auf die Eigenschaften von Gusseisen oder Stahl haben. Ein weiteres Kriterium, welches beachtet werden sollte, ist die Temperaturveränderung der Mischung. Je schneller diese erfolgt, desto weniger aussagekräftig ist das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, denn das binäre System zeigt dann andere Reaktionen.

Auf die x-Achsen des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms werden die Masseprozente des Kohlenstoffs aufgetragen, auf die y-Achse wird die Temperatur in Grad eingezeichnet. In diesem Artikel werden nur die Kohlenstoffgehalte von 0 bis 6,67 % betrachtet, da das System bei 6,67% aus 100% Zementit besteht. Technisch interessant ist somit nur der Bereich darunter.

Darstellung der Phasen im Eisen Kohlenstoff Diagramm

Eisen Kohlenstoff Diagramm, Ferrit , Schmelze, Austenit, Zementit, delta Ferrit, alpha Ferrit, Eutektikum, Peritektikum
direkt ins Video springen
Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Im EKD gibt es einige bedeutende Punkte, welche mit Buchstaben bezeichnet wurden. Die Punkte sind durch Linien verbunden. Diese Linien stellen sogenannte Halte- oder auch Knickpunkte in Zeit-Temperatur-Diagrammen für das Stoffgemisch dar. Des Weiteren grenzen sie verschiedene Phasen voneinander ab.

Liquiduslinie

Die Liquiduslinie wird durch die Verbindung der Punkte A, B, C und D gebildet. Oberhalb dieser Linie ist die Legierung flüssig. Bei Senkung der Temperatur beginnt die Legierung zu erstarren.

Soliduslinie

Der Linienzug A, H, I, E, C und F stellt die sogenannte Soliduslinie dar. Unterhalb dieser, ist das Gemisch komplett erstarrt. Die genaue Erstarrungstemperatur ist dabei vom Kohlenstoffgehalt abhängig. Zwischen der Liquidus– und der Soliduslinie hat die Legierung eine breiige Konsistenz. Hier besteht sie aus der Restschmelze, \delta-Eisen, \gamma-Eisen und Zementit in wechselnden Anteilen und Konzentration. Bei der Abkühlung einer Legierung wird also zunächst die Liquiduslinie unterschritten und dann beginnt die Primärkristallisation. Da Eisen in mehreren Modifikationen auftritt, bilden sich je nach Kohlenstoffgehalt verschiedenen Phasen. Es kommt zu verschiedenen Einlagerungsmischkristalle, wie die \alpha-,\gamma-,\delta-Mischkristalle. Diese haben verschiedene Löslichkeiten für Kohlenstoff, da sie sich hinsichtlich der Raumgitterstruktur und den Gitterkonstanten unterscheiden.

Eutektikale

Eine weitere Linie ist die Eutektikale entlang der Punkte E, F und C. Oberhalb dieser Linie existieren flüssige und feste Phasen nebeneinander. Hier haben sich \gamma-Mischkristalle und Zementit (C) gebildet. Wird die Eutektikale unterschritten erstarrt die Schmelze zu \gamma-Mischkristallen und Zementit (C). Das dabei entstehende eutektische Kristallgemisch wird als Ledeburit bezeichnet.

Eutektoide

Neben der Eutektikalen existiert auch die sogenannte Eutektoide. Diese verläuft von den Punkten P über S und K. Auf dieser Linie ist die Temperatur konstant bei 723°. Die \gamma-Mischkristalle existieren nur noch oberhalb der Linie, unterhalb sind sie bereits zerfallen. Das entstehende eutektoide Kristallgemisch wird als Perlit bezeichnet.

Sättigungslinie

Die S-E-Linie ist die Löslichkeits– bzw. Sättigungslinie. Bei einer Kohlenstoffkonzentration zwischen 0,8% und 2,06% wird ein Teil des gelösten Kohlenstoffs in der Form von Sekundärzementit ausgeschieden.

Sonstige Linien im Phasendiagramm

Die G-P-Q-Linie grenzt links ein Einphasengebiet mit \alpha-Mischkristalle ein. Für diesen Temperaturbereich ist Kohlenstoff nur in sehr geringen Konzentrationen (unter 0,02%) löslich. Die D-L-Linie schließt das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm am rechten Rand ab. In diesem Bereich liegen 100% Zementit vor. Der Massegehalt steigt also von linken bis zum rechten Rand prozentual an. Die Verbindung der Punkte H, I und B bildet die Peritektikale.

Aufteilung des Eisen-Kohlenstoff-Diagrammes

Grundsätzlich kann das EisenKohlenstoffDiagramm in fünf Phasen unterteilt werden.

Der erste Bereich wird als Schmelze bezeichnet. Diese bezeichnet die flüssige Eisen-Kohlenstoff-Legierung. Oberhalb der Liquiduslinie ist die gesamte Legierung in der Phase der Schmelze. Darunter haben wir eine Mischkristallkomponente und die Schmelze. Dagegen existiert unter der Soliduslinie nur eine Mischkristall Legierung.

Der zweite Bereich ist der  \delta Ferrit. Dieser hat eine kubisch raumzentrierte Kristallstruktur.

Im dritten Bereich findet sich Austenit, welches auch als \gamma-Mischkristallstruktur bezeichnet wird. Die hier vorliegende kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur ist weich, zäh und gut umformbar.

Der vierte Bereich besteht aus \alpha-Ferrit. Jener hat eine kubisch raumzentrierte Kristallstruktur. Allgemein ist – Ferrit spröder als Austenit.

Der fünfte Bereich ist Graphit bei einem stabilen System oder Zementit in einem metastabilen System. Zementit ist äußerst hart und spröde.

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Erklärung, Eisen Kohlenstoff Diagramm, Schmelze, Austenit, Zementit, Ferrit, Perlit
direkt ins Video springen
Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Erklärung

Perlit und Ledeburit sind Phasengemische, die bei langsamer Abkühlung nur im stabilen oder metastabilen System entstehen. Sie sind ebenfalls harte und sehr spröde Stoffgemische. Bei schnelleren Abkühlungen hingegen wird aus Austenit Martensit.

Folgende charakteristischen Punkte gibt es im metastabilen System immer:

PUNKT % Kohlenstoff Temperatur °C PUNKT % Kohlenstoff Temperatur °C
A 0 1536 K 6,67 723
B 0,53 1493 N 0 1392
C 4,3 1147 P 0,022 723
D 6,67 1320 S 0,8 723
E 2,06 1147 Q 0,002 20
F 6,67 1147 M 0 769
G 0 911 S‘ 0,69 738
H 0,1 1493 E‘ 2,03 1153
I 0,16 1493 C‘ 4,25 1153

Außerdem existieren drei wichtige Phänomene: Das Eutektikum (befindet sich bei Punkt C), das Eutektoid (befindet sich bei Punkt S) und das Peritektikum (befindet sich bei Punkt I). Im Video zum Eutektikum und Peritektikum findest du eine allgemeinere Erklärung dazu.

Isotherme Reaktionen und Linien im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Grundsätzlich beinhaltet das EisenKohlenstoffDiagramm drei isotherme Reaktionen: eine peritektische (HIB), eine eutektische (EFC) und eine eutektoide (PSK). Die Reaktionen sind isotherm, da die Linien horizontal im Diagramm verlaufen und die Temperatur somit konstant bleibt.

Isotherme Reaktion Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, Eisen Kohlenstoff Diagramm, Austenit, Zementit, Ferrit, Perlit
direkt ins Video springen
Isotherme Reaktion im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Bei einer Veränderung der Temperatur von Stahl entstehen an einigen Linien Haltepunkte, die die einzelnen Umwandlungen anzeigen. Die wichtigsten Punkte im Eisen Kohlenstoff Diagramm sind die Punkte  .

  • A_{1} liegt bei der P-S-K-Linie und beträgt 723 . Hier zerfällt Austenit zu Perlit, bei einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,02%.
  • A_{2} liegt auf der Linie zwischen den Punkten M und O. Hier verliert Ferrit seinen Ferromagnetismus bei 769 . Dieser Punkt wird auch als Curiepunkt
  • A_{3} liegt auf der Linie G-O-S. Kühlt sich die Legierung ab und unterschreitet die Linie bilden sich C-arme \alpha-Mischkristalle. Der freiwerdende Kohlenstoff reichert sich dabei im Austenit an.

An der Eutektikalen hat die Schmelze eine Konzentration von 4,3% C-Anteil und wandelt sich bei 1147°C in ein Mischgefüge aus Austenit und Zementit um. Dieses Mischgefüge wird auch als Ledeburit bezeichnet.

An der Peritektikalen setzen sich die \delta-Mischkristalle aus 0,1 % C und aus einer Restschmelze von 0,51% C zusammen. Diese werden isotherm bei 1493  zu \gamma-Mischkristallen mit 0,16% C.

Metallografische Bezeichnung

Bei den metallografischen Bezeichnungen können wir die intermetallischen Phasen von dem Zementit unterscheiden. Diese haben zwar die gleiche chemische Zusammensetzung, allerdings unterscheiden sie sich in Ihrer Form.

Es gibt Primärzementit, Sekundärzementit und Tertiärzementit. Primärzementit befindet sich an der C-D-Linie bei der primären Kristallisation aus der Schmelze. Sekundärzementit kann an der E-S-Linie als Ausscheidung des Austenits gefunden werden. An der P-Q-Linie gilt Tertiärzementit als Ausscheidung aus dem Ferrit.

Die Mischkristalle können ebenfalls nach metallografischer Bezeichnung unterschieden werden.

Mischkristall

Maximaler C-Gehalt Metallografische Bezeichnung

\delta-Mischkristall

0,10 % bei 1493 °C

\delta-Ferrit

\gamma-Mischkristall

2,06 % bei 1147°C

Austenit

\alpha-Mischkristall 0,02 % bei 723°C

Ferrit

\delta-Mischkristalle werden als \delta-Ferrit bezeichnet. Er hat einen maximalen Kohlenstoff Gehalt von 0,10% bei 1493°C. Die \gamma-Mischkristalle werden als Austenit bezeichnet. Der maximale C-Gehalt liegt hier bei 2,06 % bei 1147°C. \alpha-Mischkristalle haben einen maximalen Kohlenstoffgehalt von 0,02% bei 723°C. Es erhält die Bezeichnung Ferrit.

Neben den reinen Phasen im Kohlenstoff Eisen Diagramm treten außerdem noch Phasengemische auf.

Phasengemische

bestehend aus Existenzbereich

Perlit

88 % Ferrit und 12% Zementit

0,02 % bis 6,67 % bei T \le 723°C

Ledeburit I

51,4 % Austenit und 48,6 % Zementit

0,02 % bis 6,67 % bei 723°C \le  T \le 1147°C

Ledeburit II 51,4 % Perlit und 48,6 % Zementit

2,06 % bis 6,67 % bei T \le  723°C

Bei einer Mischung von 88% Ferrit und 12% Zementit wir das Gemisch als Perlit betitelt. Haben wir eine Mischung von 51,4% Austenit und 48,6% Zementit entsteht Ledeburit I. Dies ist das Reaktionsprodukt der eutektischen Umwandlung einer Fe-Schmelze.

Ledeburit II entsteht bei einer Abkühlung aus dem Austenit. Hier nimmt die Löslichkeit der Bestandteile des Austenits ab. Es besteht zu 51,4% aus Perlit und zu 48,6% aus Zementit.

Anwendung des Eisen Kohlenstoff Diagrammes

Das Eisen Kohlenstoff Diagramm wird meistens dazu verwendet das unterschiedliche Verhalten von Stahl und Gusseisen zu erklären. So lässt sich Stahl beispielsweise schmieden, da es im Austenitbereich gut verformbar ist. Bei Gusseisen wird das Schmieden durch den höheren Anteil von Kohlenstoff (Graphit, Ledeburit) verhindert. Hingegen ist aber Gusseisen einfacher gießbar als Stahl, da sein Schmelzpunkt niedriger ist.

Auch kannst du das Hebelgesetz auf dieses Phasendiagramm anwenden. In dem Beitrag Hebelgesetzte Phasendiagramm zeigen wir dir auch die genaue Herleitung und Anwendung.


Andere Nutzer halten diese Inhalte aus dem Bereich „Materialwissenschaften“ für besonders klausurrelevant

Hallo, leider nutzt du einen AdBlocker.

Auf Studyflix bieten wir dir kostenlos hochwertige Bildung an. Dies können wir nur durch die Unterstützung unserer Werbepartner tun.

Schalte bitte deinen Adblocker für Studyflix aus oder füge uns zu deinen Ausnahmen hinzu. Das tut dir nicht weh und hilft uns weiter.

Danke!
Dein Studyflix-Team

Wenn du nicht weißt, wie du deinen Adblocker deaktivierst oder Studyflix zu den Ausnahmen hinzufügst, findest du hier eine kurze Anleitung. Bitte lade anschließend die Seite neu.