Einleitung

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm wurde bisher lediglich bis zu einem Kohlenstoffgehalt von 2,06 % betrachtet. Wird dieser Kohlenstoffgehalt überschritten, so ergeben sich weitere Phasenumwandlungen. Grundsätzlich ist damit auch ein anderer Gefügeaufbau verbunden. So bestehen Eisenwerkstoffe unter 2,06 % Kohlenstoff aus einem eutektoiden Grundgefüge (Perlit) und  oberhalb von 2,06 % aus einem eutektischen Grundgefüge (Ledeburit).

Hieraus ergeben sich auch prinzipiell andere Werkstoffeigenschaften. Gemäß diesem Unterschied erfolgt auch die Unterteilung in Stähle und Gusseisen. So werden Eisenwerkstoffe mit einem geringeren Kohlenstoffgehalt als 2,06 % als Stähle bezeichnet und Eisenwerkstoffe über 2,06 % als Gusseisen.

Stahl weist ein perlitisches (eutektoides) Grundgefüge auf und Gusseisen ein ledeburitisches (eutektisches) Grundgefüge!

Nähere Informationen zu diesem neuen Gefügeaufbau von Gusseisen soll dieser Artikel liefern.

Gusseisen

Das unten abgebildete Phasendiagramm zeigt das vollständige Eisen-Kohlenstoff-Diagramm des metastabilen Systems, bei dem der Kohlenstoff in Form von Zementit im Gefüge vorliegt. Das Gefüge im metastabilen System kann deshalb maximal zu 100 % aus Zementit bestehen. Da der Kohlenstoffgehalt im Zementit (\(Fe_3C\)) 6,67% beträgt, endet das metastabile Eisen-Kohlenstoff-Diagramm mit dieser Konzentration.

Wird lediglich der Bereich des Phasendiagramms ab einem Kohlenstoffgehalt von 2,06 % betrachtet, so zeigt sich der im Erstarrungsprozess grundlegende Unterschied zwischen Stählen und Gusseisen.

Bei einer Kohlenstoffkonzentration kleiner als 2,06 % erstarrte der Stahl zunächst als Mischkristalllegierung (homogenes Austenitgefüge) innerhalb des typisch linsenförigen Kristallisationsbereichs im Zustandsdiagramm.

Im Bereich des Gusseisens zeigt das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm hingegen nicht mehr diesen linsenförmigen Erstarrungsbereich, sondern weist im Kristallisationsbereich das typisch liegende „K“ einer Kristallgemischlegierung auf. Die eutektische Zusammensetzung liegt dabei bei 4,3 % Kohlenstoff, wo die beiden von links und rechts fallenden Liquiduslinien zusammentreffen.

Je nachdem ob die Eisen-Kohlenstoff-Verbindung als Mischkristalllegierung (C-Gehalt < 2,06 %) oder als Kristallgemischlegierung (C-Gehalt > 2,06%) erstarrt, ergeben sich grundsätzlich auch andere mechanische Eigenschaften des Werkstoffes bei Raumtemperatur. So eignen sich die als Kristallgemisch erstarrten Legierungen im Allgemeinen besser für Gießprozesse (sog. Gusslegierungen). Die als Mischkristall erstarrten Werkstoffe lassen sich im Vergleich hierzu allerdings wesentlich besser umformen und eignen sich deshalb im besonderen Maße für unterschiedliche Umformprozesse wie Biegen, Schmieden, Walzen, Tiefziehen, etc. (sog. Knetlegierungen).

Aus diesen Gründen der fertigungstechnischen Verarbeitung unterscheidet man Eisen-Kohlenstoff-Verbindungen mit einem geringeren bzw. größeren Kohlenstoffgehalt als 2,06 %. Unterhalb 2,06% Kohlenstoff bezeichnet man den Werkstoff als Stahl. Oberhalb von 2,06% Kohlenstoff spricht man hingegen von Gusseisen, da sich dieses im besonderen Maße für Gießprozesse eignet. Im Gegensatz hierzu lassen sich Stähle wesentlich besser umformen und sind deshalb im Gegensatz zu Gusseisen schmiedbar. Beachte, dass die Übergange in den mechanischen Eigenschaften an der 2,06 %-Grenze stets fließend verlaufen!

Stähle kristallisieren zunächst als Mischkristalllegierungen, während Gusseisen als Kristallgemischlegierung erstarrt.

Gusseisen besitzt deshalb im Vergleich zu Stahl ein eutektisches Grundgefüge! Die Ursache, dass der Stahl kein Eutektikum bildet liegt letztlich daran, dass Stähle bereits erstarrt sind bevor die Restschmelze die eutektisch Zusammensetzung hätte erreichen können. So wie Stähle in unter- bzw. übereutektoide Stähle eingeteilt werden können, lassen sich Gusseisen entsprechend in unter- bzw. übereutektische Gusseisen untergliedern.

Während Stähle aufgrund des relativ geringen Kohlenstoffgehaltes grundsätzlich nach dem metastabilen System erstarren, kann Gusseisen sowohl in der metastabilen Form (weißes Gusseisen) als auch in der stabilen Form (graues Gusseisen) kristallisieren. Die überwiegende Mehrheit der Gusseisensorten erstarrt aufgrund des relativ hohen Kohlenstoffgehaltes nach dem stabilen System. Anstatt der Zementitausscheidung unterliegt das Gusseisen während der Erstarrung bzw. Abkühlung dann der Graphitausscheidung.

Die Ausscheidung von Graphit anstelle von Zementit hat Auswirkungen auf die Umwandlungstemperaturen im Phasendiagramm. Dementsprechend muss zwischen dem stabilen und dem metastabilen Eisen-Kohlenstoff-Diagramm unterschieden werden. Das unten abgebildete Diagramm zeigt das metastabile Phasendiagramm (blau) und das stabile Phasendiagramm (rot ergänzt) im Vergleich.

Weißes Gusseisen

Beim weißen Gusseisen erstarrt das Gusseisen in der metastabilen Form und unterliegt somit der Zementitbildung. Das Zementit lässt die Bruchfläche des Gusseisens dabei weißlich glänzend erscheinen, worauf sich die Bezeichnung „weißes“ Gusseisen bezieht.

Je nach Kohlenstoffgehalt kann bei weißem Gusseisen zwischen eutektischem Gusseisen (4,3 % C), untereutektischem Gusseisen (<4,3 % C) und übereutektischem Gusseisen (> 4,3 % C) unterschieden werden. Die Vorgänge im Gefüge während der Erstarrung und Abkühlung bei solchen Gusseisenarten sollen im Folgenden näher erläutert werden.

Eutektisches Gusseisen

Besitzt das Gusseisen die eutektische Zusammensetzung von 4,3 % Kohlenstoff, so erstarrt die Schmelze wie gewohnt in einem reinen Haltepunkt. Es bildet sich aufgrund der starken Unterkühlung ein feines Gemisch aus Austenit und Zementit. Dieses eutektische Gefüge aus fein verteiltem Austenit und Zementit wird unmittelbar nach der Erstarrung auch als Ledeburit I bezeichnet.

Das unmittelbar nach der Erstarrung vorliegende eutektische Phasengemisch aus Austenit und Zementit wird als Ledeburit I bezeichnet!

Beachte, dass auf der linken Seite des Gusseisen-Phasendiagramms (bei 2,06 %) letztlich die Phase Austenit und auf der rechten Seite (bei 6,67 %) die Phase Zementit aufgetragen ist. Es handelt sich bei diesen Phasen Austenit und Zementit also letztlich um die Komponenten eines A/B-Legierungssystem (A ≙ „Austenit“) und (B ≙ „Zementit“).

Unmittelbar nach der Erstarrung sind bei 1147 °C die im Ledeburit vorhandenen Austenitkristalle vollständig mit Kohlenstoff gesättigt, d.h. diese weisen die maximal mögliche Konzentration an Kohlenstoff auf, die im Austenit löslich ist. Da bei weiterer Abkühlung die Löslichkeit gemäß der Löslichkeitsgrenze stetig sink, scheiden die Austenitkristalle im Folgenden permanent Zementit aus.

Schließlich ist bei 723 °C so viel Kohlenstoff aus dem Austenit ausgeschieden, dass dieser die eutektoide Zusammensetzung von 0,8 % Kohlenstoff erreicht hat. Nun beginnen sich die Austenitkristalle im Eutektikum des Ledeburits I bei konstanter Temperatur in Perlit zu wandeln. Die ehemaligen Austenitkristalle sind somit zu Perlit zerfallen. Dieses eutektische Phasengemisch aus nun Perlit und Zementit wird aufgrund der geänderten Struktur nun Ledeburit II genannt.

Das bei Raumtemperatur vorliegende eutektische Phasengemisch aus Perlit und Zementit wird als Ledeburit II bezeichnet!

Untereutektisches Gusseisen

Bei untereutektischem Gusseisen scheiden sich bei Erreichen der Liquiduslinie lediglich Austenit-Primärkristalle aus der Schmelze aus (Knickpunkt). Hierdurch steigt der Kohlenstoffgehalt in der Restschmelze an. Ist bei 1147 °C schließlich der Kohlenstoffgehalt auf 4,3 % angestiegen, so kristallisiert die Restschmelze bei konstanter Temperatur zum Eutektikum (Ledeburit I). Unmittelbar nach der Erstarrung besteht das Gefüge somit aus dem Eutektikum und den zuvor primär ausgeschiedenen Austenitkristallen.

Sowohl der Primäraustenit als auch die im Ledeburit I enthaltenen Austenitkristalle scheiden aufgrund der sinkenden Löslichkeit des Kohlenstoffs mit fortschreitender Abkühlung Zementit aus. Folglich besteht das Gefüge in diesem Zustand aus Ledeburit I und dem darin eingebetteten Primäraustenit sowie aus dem ausgeschiedenen Zementit. Bei 723 °C ist schließlich wieder die eutektoide Zusammensetzung in den Austenitkristallen erreicht (sowohl in den Primärkristallen als auch im Eutektikum).

Während sich das Ledeburit I dabei wieder zu Ledeburit II wandelt, zerfallen die Primär-Austenitkörner zu Perlitkörner. Folglich besteht das Gefüge von untereutektischem Gusseisen aus Ledeburit II mit den darin eingebetteten Perlitkörnern und dem zuvor aus den Austenitkristallen ausgeschiedenen Zementit.

Das abgebildete Schliffbild zeigt eine Probe aus untereutektischem Gusseisen mit 2,7 % Kohlenstoff. Zu sehen sind die zunächst dendritisch gewachsenen \(\gamma\)-Mischkristalle, welche sich schließlich in Perlit gewandelt haben (dunkle Flecken). Beispielhaft ist in der Abbildung ein Dendrit eingezeichnet, welcher durch das Schliffbild in der Ebene durchgeschnitten wurde. Dieses Perlitgefüge besteht wie üblich aus Ferrit und lamellarem Zementit. Zwischen den Verästelungen der perlitischen Dendriten befindet sich das aus der Restschmelze entstandene Eutektikum, welches ebenfals der \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung unterlag und somit schließlich als Ledeburit II im Gefüge vorliegt (dunkel gesprenkelte Bereiche).

Im Vergleich hierzu zeigt das folgende Gefügebild ein untereutektisches Gusseisen mit einem höheren Kohlenstoffgehalt von 3,8 %. Auffällig ist dabei der deutlich größere Anteil an eutektischer Grundmasse im Vergleich zum Perlit. In diesem Fall kann der sehr feine, lamellare Zementit im Perlit lichtmikroskopisch nicht mehr aufgelöst werden – er erscheint deshalb einflächig dunkel!

Übereutektisches Gusseisen

Bei übereutektischem Gusseisen kristallisiert während der Erstarrung zunächst nur Primärzementit aus, welches eine streifenförmige Struktur zeigt. Aufgrund der damit verbundenen Kohlenstoffausscheidung aus der Restschmelze, senkt sich dort der Kohlenstoffgehalt. Ist schließlich die eutektische Zusammensetzung von 4,3 % Kohlenstoff bei 1147 °C in der Restschmelze erreicht, erstarrt diese zum Eutektikum Ledeburit I.

Unmittelbar nach der Erstarrung besteht das Gefüge somit aus dem primärausgeschiedenen Streifenzementit, der im umgebenden Ledeburit I eingebettet ist. Der im Eutektikum enthaltene Austenit unterliegt schließlich bei Senkung der Temperatur der Zementitausscheidung. Ist bei 723 °C der Kohlenstoffgehalt im Austenit auf 0,8 % gesunken, so beginnt sich dieser zu Perlit zu wandeln. Auf diese Weise entsteht aus dem eutektischen Ledeburit I das Ledeburit II.

Das abgekühlte übereutektische Gusseisengefüge besteht bei Raumtemperatur somit aus den primär ausgeschiedenen Zementitstreifen, die sich im Eutektikum des Ledeburits II betten.

Das abgebildete Gefügebild zeigt ein übereutektisches Gusseisen mit 5,5 % Kohlenstoff. Zu sehen ist das Eutektikum Ledeburit II (fein gemustert) und die primär ausgeschiedenen Zementitnadeln, die aufgrund der Ätzung bei der Probenherstellung als helle längliche Streifen erscheinen.

Graues Gusseisen

Im Gegensatz zum weißen Gusseisen bildet sich beim grauen Gusseisen Graphit im Gefüge anstelle von Zementit. Das Graphit lässt die Bruchfläche des Gusseisens dabei gräulich matt erscheinen, worauf die Bezeichnung „graues“ Gusseisen zurückzuführen.

Durch Legierungszusätze kann die Form der Graphitausscheidung gezielt beeinflusst werden. Je nachdem in welcher geometrischen Form der Graphit anschließend im Gefüge vorliegt, wird das Gusseisen unterschiedlich bezeichnet. Hieraus ergeben sich auch prinzipiell unterschiedliche mechanische Eigenschaften und Anwendungsbereiche des entsprechenden Gusseisens. Auf die verschiedenen Graugussarten wird im Folgenden näher eingegangen.

Lamellengraphitguss

Ohne größere Behandlung der Schmelze kristallisiert das Graphit normalerweise lamellenförmig aus. Man spricht dann vom sogenannten Lamellengraphitguss.

Das abgebildete Gefügebild zeigt Lamellengraphitguss mit 3,5 % Kohlenstoff. Zu sehen ist das lamellenförmig ausgeschiedene Graphit (dunkle, großflächige Bereiche), das von einem perlitischen Grundgefüge umgeben ist (dunkle, feine Streifen).

Gusseisen mit Lamellengraphit besitzt hervorragende Gießeigenschaften und bietet deshalb ein breites Anwendungsspektrum. Darüber hinaus zeigt der Lamellengraphitguss eine sehr gute Spanbarkeit, da das Graphit zugleich als Festschmierstoff dient. Zudem besitzen die Graphitlamellen im Gussgefüge eine besondere schwingungsdämpfende Wirkung. Deshalb wird Lamellengraphitguss unter anderem als Werkstoff für hoch schwingungsbeanspruchte Bautele wie bspw. Maschinenbette oder Schiffsdieselmotoren verwendet.

Nachteilig wirken sich die Graphitlamellen jedoch auf die Zugfestigkeit aus, da diese wie Kerben („Sollbruchstellen“) im Gussgefüge wirken. Deshalb sollte Lamellengraphitguss nicht auf Zug, sondern auf Druck beansprucht werden. Die Druckfestigkeit liegt dabei um das ca. 4-fache höher als die Zugfestigkeit!

Bei vielen Anwendungen ist man allerdings darauf angewiesen, dass der Gusswerkstoff hohe Zugbelastungen aufnehmen muss. Da dabei die Graphitlamellen offensichtlich störend wirken, muss die lamellenförmige Graphitausscheidung beim Erstarrungs- bzw. Abkühlprozess gezielt unterbunden werden. Eine Alternative zum Lamellengraphitguss bietet dabei der nachfolgend erläuterte Kugelgraphitguss.

Kugelgraphitguss

Damit sich der Graphit im Grauguss nicht lamellenförmig sondern kugelförmig ausscheidet, muss die Schmelze vor der Erstarrung gezielt mit Zusätzen wie bspw. Aluminium behandelt werden. Eine Graphitausscheidung in kugelförmiger Gestalt wird dann als Kugelgraphitguss (Sphäroguss) bezeichnet.

Das Bild zeigt das Gefüge von Kugelgraphitguss mit 3,6 % Kohlenstoff. Zu sehen ist das kugelförmig ausgeschiedene Graphit (dunkle, rundliche Bereiche), das sich aus den unmittelbar umliegenden Bereichen zusammengezogen hat. Es handelt sich bei den umliegenden Bereichen um nahezu kohlenstofffreies Eisen (Ferrit), die hierdurch weiß erscheinen.

Da beim Kugelgraphitguss die Kerbwirkung durch die rundliche Form des Graphits im Vergleich zum Lamellengraphitguss stark gemildert wird, zeigt der Späroguss eine deutlich bessere Zugfestigkeit.

Vermiculargraphitguss

Ein Kompromiss in den Eigenschaften zwischen dem Lamellen- und dem Kugelgraphitguss bietet der sogenannte Vermiculargraphitguss. Dabei wird das Graphit wurmartig ausgeschieden, wobei sich bis zu einem gewissen Anteil auch kugelförmiges Graphit im Gefüge bilden darf.

Das Gefügebild (leider noch nicht vorhanden!) zeigt Vermiculargraphitguss. Zu sehen ist das wurmartig ausgeschiedene Graphit (schwarz), das sich zum Teil noch kugelförmig ausgeschiedenen hat. Der Kohlenstoff wurde dabei den umliegenden Bereichen entzogen, die deshalb weiß erscheinen (Ferrit).

Aufgrund seiner guten Temperaturwechselbeständigkeit eignet sich der Vermiculargraphitguss vor allem im Motorenbau.

Temperguss

Beim sogenannten Temperguss (Flockengraphitguss), formt sich der Kohlenstoff zu einzelnen Graphitflocken. Um diese flockenförmige Graphitstruktur zu erhalten, erstarrt die Vorstufe des Tempergusses – der sogenannte Temperrohguss – zunächst graphitfrei. Im Gefüge des Temperrohgusses findet sich somit lediglich Zementit statt Graphit wieder (weißes Gusseisen). Erst durch eine nachträgliche Wärmebehandlung, dem Tempern, zerfällt der metastabile Zementit in seine endgültige flockenförmige Graphitform und zählt dann zum grauen Gusseisen.

Das abgebildete Gefügebild zeigt Temperguss mit 2,7 % Kohlenstoff. Zu sehen ist das flockenförmig ausgeschiedene Graphit (schwarze Bereiche). Um die Flocken bilden sich häufig kohlenstofffreie Bereiche (Ferrit), die deshalb weiß erscheinen. Dort hat sich der Kohlenstoff aus dem Gitter zur Flockenstruktur zusammengelagert.

Vorteil des Tempergusses ist die gute Gießbarkeit bei gleichzeitig stahlähnlichen Eigenschaften wie gute Zähigkeit und Festigkeit. Anwendung findet der Temperguss bspw. bei dünnwandigen Bauteilen, Bremstrommeln, Fittings, etc.

Einleitung

Im Abschnitt Phasenumwandlungen im erstarrten Zustand wurden die Gefügeänderungen von Stählen während der Abkühlung ausführlich erläutert. Da diese sehr komplex sind, soll in diesem zusammenfassenden Artikel nochmals einen kurzen Überblick über die Gefügeumwandlungen gegeben werden. Ausführlichere Informationen finden sich im Artikel Phasenumwandlungen von Stählen im erstarrten Zustand (metastabiles System) wieder.

Erstarrungsprozess

Der eigentliche Erstarrungsprozess vollzieht sich bei Stählen unabhängig des Kohlenstoffgehalts wie bei einer Mischkristalllegierung. Dies zeigt sich im Phasendiagramm als typisch linsenförmiger Bereich zwischen Liquidus- und Soliduslinie. Der Kohlenstoff ist unmittelbar nach der Erstarrung vollständig im kubisch-flächenzentrierten γ-Eisengitter löslich. Diese Mischkristallverbindung von kubisch-flächenzentriertem Eisen und darin eingelagertem Kohlenstoff wird als Austenit bezeichnet.

Im erstarrten Zustand zeigt das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm das typisch liegende „K“ einer Kristallgemischlegierung, bei der die jeweiligen Komponenten ineinander unlöslich sind. Beachte, dass der Kohlenstoff im Eisengitter bei Raumtemperatur ja tatsächlich nahezu unlöslich ist. Die Phasenumwandlungen, die der Stahl im erstarrten Zustand erfährt, lassen sich deshalb in Kristallgemischlegierung betrachten. Die Phasenumwandlungen finden dabei allerdings im bereits erstarrten Zustand statt.

Phasenumwandlungen im erstarrten Zustand

Übereutektoide Stähle

Bei übereutektoiden Stählen mit einem Kohlenstoffgehalten größer als 0,8 % scheidet sich bei Unterschreiten der Löslichkeitsgrenze der Kohlenstoff in Form von Zementit an den Korngrenzen aus (Korngrenzenzementit). Dies führt folglich zu einer Verarmung an Kohlenstoff im verbleibenden Restaustenit. Die Verarmung schreitet schließlich solange voran, bis bei 723 °C der Restaustenit die eutektoide Zusammensetzung von 0,8 % Kohlenstoff erreicht hat.

Nun beginnt sich bei konstanter Temperatur von 723 °C der kubisch-flächenzentrierte Restaustenit vollständig in die kubisch-raumzentrierte Ferritstruktur umzuwandeln. Der Kohlenstoff kann sich im Ferritgitter allerdings nicht mehr lösen. Deshalb scheidet sich der Kohlenstoff in Form von Zementitlamellen direkt aus dem Ferritgitter aus. Dieses eutektoide Phasengemisch aus Ferritkörnern mit den darin eingelagerten Zementitlamellen wird auch als Perlit bezeichnet.

Das Gefüge eines übereutektoiden Stahls besteht bei Raumtemperatur somit aus dem zuvor ausgeschiedenen Korngrenzenzementit und dem sich gebildeten Perlit.

Untereutektoide Stähle

Bei untereutektoiden Stählen mit einem Kohlenstoffgehalten kleiner als 0,8 % scheidet sich bei Unterschreiten der Umwandlungslinie Ferrit aus dem Austenitgitter aus, da sich die kubisch-flächenzentrierte Austenitstruktur beginnt in die kubisch-raumzentrierte Ferritstruktur umzuwandeln.

Der Kohlenstoff kann wiederum im Ferritgitter nicht gelöst werden. Deshalb diffundiert der Kohlenstoff in das umliegende Austenitgitter ein, da dieser noch Kohlenstoff aufnehmen kann (untersättigter Zustand). Dies führt folglich zu einer Anreicherung an Kohlenstoff im verbleibenden Restaustenit. Die Anreicherung schreitet schließlich solange voran, bis bei 723 °C der Restaustenit die eutektoide Zusammensetzung von 0,8 % Kohlenstoff erreicht hat.

Nun beginnt sich aus dem Restaustenit wiederum das Perlit zu bilden (die Vorgänge bei der Perlitbildung sind unabhängig des Stahls grundsätzlich immer identisch).

Das Gefüge eines untereutektoiden Stahls besteht bei Raumtemperatur somit aus den zuvor ausgeschiedenen Ferritkörner und dem sich gebildeten Perlit.

Eutektoide Stähle

Bei einem eutektoiden Stahl mit exakt 0,8 % Kohlenstoff besitzt der Austenit von vorne herein die eutektoide Zusammensetzung. Somit kann sich das Perlit ohne Ausscheidungsprozesse direkt aus dem Austenit bilden.

Das Gefüge eines eutektoiden Stahls besteht bei Raumtemperatur lediglich aus Perlitkörnern.

Beachte, dass sich das Gefüge des Stahls grundsätzlich immer aus den beiden Phasen Ferrit und Zementit zusammensetzt, unabhängig davon, ob es sich um einen untereutektoiden (unterperlitischen) Stahl oder um einen übereutektoiden (überperlitischen) Stahl handelt. Dies ist ja gerade das Merkmal des metastabilen Systems.

Zu welchen genauen Teilen sich ein Gefüge aus Perlit und Ferrit bzw. aus Perlit und Korngrenzenzementit zusammensetzt (Gefügeanteile), erläutern wir im Artikel Bestimmung der Gefügeanteile und Phasenanteile.

Die untere Abbildung zeigt die Stahlecke des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms des metastabilen Systems. Bei genauer der Betrachtung der Umwandlungslinien unterhalb der Soliduslinie, zeigt sich das für Kristallgemischlegierungen typisch liegende „K“.

Und tatsächlich können die Phasenumwandlungen des erstarrten Stahls in Analogie zu einer Kristallgemischlegierung betrachtet werden, bei der die beteiligten Komponenten im festen Zustand unlöslich sind. Schließlich ist bei Raumtemperatur der Kohlenstoff im Eisengitter ja ebenfalls (nahezu) unlöslich und es handelt sich somit im Prinzip um eine Kristallgemischlegierung.

Auf die Analogie beider Phasendiagramme sowie deren Unterschiede wird im Folgenden näher eingegangen.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Phasendiagrammen besteht darin, dass sich die Umwandlungsprozesse im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm nicht im flüssigen Zustand, sondern im festen Zustand vollziehen. Aus diesem Grund unterscheidet man auch die Begrifflichkeiten Eutektikum („aus der Schmelze entstehend“) und Eutektoid („aus dem festen Zustand entstehend“).

Während die A/B-Kristallgemischlegierung zunächst als homogene Schmelze (\(Sm\)) vorliegt, liegt der Stahl zunächst ebenfalls einphasig in Form des homogenen Mischkristalls Austenit (\(Au\)) vor. Es handelt sich dabei jeweils um Einphasengebiete, da lediglich die Phase Schmelze bzw. Austenit vorliegt.

Schließlich scheiden sich bei untereutektischen A/B-Legierungen nach Unterschreiten der entsprechenden Phasenlinie A-Primärkristalle aus (\(A_{Pk}\)), während sich bei untereutektoiden Stählen Ferrit (\(Fe\)) ausscheidet. Es handelt sich dabei jeweils um Zweiphasengebiete. Beachte, dass sich jeweils diejenigen Komponenten ausscheiden, die ganz links der Konzentrationsachse aufgetragen sind, d.h. der Reinstoff \(A\) bzw. Reineisen \(Fe\).

Umgekehrt scheiden sich bei übereutektischen Legierungen B-Primärkristalle (\(B_{Pk}\)) aus und bei übereutektoiden Stählen Zementit (\(Ze\)). Auch dabei handelt es sich letztlich wiederum um jene Komponenten die entsprechend ganz rechts der Konzentrationsachse aufgetragen sind. Beachte, dass das Phasendiagramm des Stahls bei 2,06 % Kohlenstoff abgebrochen wurde. Normalerweise endet das Phasendiagramm auf der rechten Seite mit 100 % Zementit (im Abschnitt hier mehr dazu).

Für untereutektische Legierungen reichert sich die Restschmelze durch die Ausscheidung der A-Primärkristalle mit B-Atomen an, bis schließlich die eutektische Zusammensetzung erreicht ist. Auf die analoge Weise wird durch die Ausscheidung von Ferrit der Restaustenit bis zur eutektoiden Zusammensetzung mit C-Atomen angereichert.

Umgekehrt führt bei übereutektischen Legierungen die Ausscheidung von B-Primärkristallen in der Restschmelze zur Senkung der B-Konzentration bis auf die eutektische Zusammensetzung. In Analogie hierzu scheidet sich bei übereutektoiden Stählen solange Zementit an den Korngrenzen aus, bis der Kohlenstoffgehalt im Restaustenit auf die eutektoide Zusammensetzung gesunken ist. Sowohl bei der A/B-Kristallgemischlegierung als auch bei Stählen vollziehen sich diese Ausscheidungsprozesse innerhalb des Zweiphasengebietes in einem Knickpunkt.

Bei Erreichen der eutektischen Zusammensetzung in der Restschmelze wandelt sich diese schließlich bei konstanter Temperatur zum Eutektikum, d.h. zu einem fein verteilten Gemisch aus den ineinander unlöslichen Komponenten A und B). Auf analoge Weise wandelt sich der Restaustenit bei Stählen nach Erreichen der eutektoiden Zusammensetzung zum Eutektoid Perlit, d.h. zu einem fein verteilten Gemisch aus den ineinander unlöslichen Komponenten Ferrit und Zementit.

Im erstarrten Zustand bestehen untereutektische Legierungen schließlich aus den ausgeschiedenen A-Primärkristallen und aus Eutektikum, das sich aus der Restschmelze gebildet hat. Bei übereutektischen Legierungen weist das Gefüge hingegen die ausgeschiedenen B-Primärkristalle auf, zwischen denen sich auch dabei wieder das Eutektikum befindet. In Analogie hierzu besteht das Gefüge von untereutektoiden Stählen aus den ausgeschiedenen Ferritkristallen und dem Eutektoid Perlit, das sich aus dem Restaustenit gebildet hat. Bei übereutektoiden Stählen weist das Gefüge neben dem Eutektoid hingegen der ausgeschiedene Zementit an den Korngrenzen auf.

Einleitung

Für viele Anwendungen ist es wichtig, genau zu wissen aus welchen Gefüge- bzw. Phasenanteilen sich ein Stahl bei einer bestimmten Kohlenstoffkonzentration zusammensetzt. Dies macht letztlich eine Berechnung notwendig. Um diese Durchführen zu können, muss allerdings das gesamte Eisen-Kohlenstoff-Diagramm betrachtet werden. Deshalb wird im Folgenden kurz auf das vollständige Phasendiagramm des metastabilen Systems eingegangen, bevor abschließend die Berechnung der Gefüge- bzw. Phasenanteile erläutert wird.

Bisher wurde das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm nur bis zu einem Kohlenstoffgehalt von 2 % betrachtet (Stahlecke). Bei höheren Kohlenstoffkonzentrationen treten weitere Phasenumwandlungen auf, welche zu einem anderen Grundgefüge führen. Solche Eisenwerkstoffe werden dann nicht mehr als Stähle sondern als Gusseisen bezeichnet.  Im entsprechenden Kapitel Gusseisen wird auf die Gefügeentstehung solcher Eisenwerkstoffe näher eingegangen.

Grundsätzlich endet das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm des metastabilen Systems jedoch bei einem Kohlenstoffgehalt von 6,67 %, da das Gefüge dabei zu 100 % aus Zementit besteht. Chemisch gesehen setzt sich der Zementit aus drei Eisenatomen (mit je einer Atommasse von 56 u) und einem Kohlenstoffatom (mit einer Atommasse von 12 u) zusammen. Somit ergibt sich der massenbezogene Kohlenstoffgehalt im Zementit zu 6,67 %:

\begin{align}
&\underline{\text{Kohlenstoffgehalt}} = \frac{12u}{12u+3 \cdot 56u} \cdot 100 \text{ %} = \underline{6,67 \text{ %}} \\[5px]
\end{align}

Bestimmung der Gefügeanteile und Phasenanteile

Grundsätzlich erfolgt die Bestimmung der Gefüge- und Phasenanteile durch Anwendung des Hebelgesetzes. Dabei müssen die Hebelarme immer bis an die entsprechenden Gefüge- bzw. Phasengrenzen gezogen werden. Im Folgenden sollen exemplarisch für einen über- und untereutektoiden Stahl die Gefüge- und Phasenanteile bei Raumtemperatur ermittelt werden.

Untereutektoide Stähle

Bei einem untereutektoiden (unterperlitischen) Stahl besteht das Gefüge bei Raumtemperatur aus Ferrit- und Perlitkörner. Um die jeweiligen Gefügeanteile zu bestimmen, werden die Hebelarme ausgehend des betrachteten Zustandspunktes entsprechend bis hin zum Ferritgebiet (bei 0 % Kohlenstoff) und zur Perlitgrenze (bei 0,8 % Kohlenstoff) gezogen.

Für einen Stahl mit bspw. 0,3 % Kohlenstoff ergibt sich somit bei Raumtemperatur ein Ferritanteil von 62,5 % und entsprechend einen Perlitanteil von 37,5 %:

\begin{align}
&\underline{\text{Ferrit}} = \frac{0,8-0,3}{0,8} \cdot 100 \text{ %} = \underline{62,5 \text{ %}}   \\[5px]
&\underline{\text{Perlit}} = \frac{0,3}{0,8} \cdot 100 \text{ %} =  \underline{37,5 \text{ %}}   \\[5px]
\end{align}

Aufgrund des Hebelgesetzes ergibt sich im Allgemeinen ein linearer Zusammenhang zwischen dem Kohlenstoffgehalt und den Gefügeanteilen. Für einen untereutektoiden Stahl steigt der Perlitanteil mit größerem Kohlenstoffgehalt stetig, bis dieser bei 0,8 % Kohlenstoff schließlich 100 % beträgt. Entsprechend nimmt der Ferritanteil bis auf 0 % ab. Der explizite Zusammenhang ist unterhalb des Phasendiagramms in einem Gefügediagramm abgebildet.

Der Begriff Gefügeanteil („Körneranteil“) darf an dieser Stelle nicht mit dem Begriff des Phasenanteils verwechselt werden! Denn schließlich besteht der Gefügebestandteil Perlit aus einem Phasengemisch, das sich sowohl aus Ferrit als auch aus Zementit zusammensetzt. Der Stahl lässt sich somit auch durch die Phasenanteile Ferrit und Zementit, statt durch die Gefügebestandteile Ferrit und Perlit charakterisieren. Die Vorgehensweise zur Bestimmung der Phasenanteile ist zwar grundsätzlich identisch, es muss jedoch beachtet werden, dass die Hebelarme dann allerdings bis zu den jeweiligen Phasengrenzen Ferrit und Zementit gezogen werden müssen.

Für den untereutektoiden Stahl mit 0,3 % Kohlenstoff bestimmt sich der Phasenanteil an Ferrit somit zu insgesamt 95,5 %. Die restlichen 4,5 % entfallen schließlich auf die Phase Zementit:

\begin{align}
&\underline{\text{Ferrit}} = \frac{6,67-0,3}{6,67} \cdot 100 \text{ %} = \underline{95,5 \text{ %}}   \\[5px]
&\underline{\text{Zementit}} = \frac{0,3}{6,67} \cdot 100 \text{ %} =  \underline{4,5 \text{ %}}   \\[5px]
\end{align}

Übereutektoide Stähle

Auf die analoge Weise wie bei untereutektoiden Stählen können die Gefügebestandteile bei übereutektoiden Stählen bestimmt werden. Hierzu werden die Hebelarme bis an die jeweiligen Gefügebestandteile des Perlits (bei 0,8 % Kohlenstoff) und des Korngrenzenzementits (bei 6,67 % Kohlenstoff) gezogen.

Für einen Stahl mit bspw. 1,4 % Kohlenstoff ergibt sich somit bei Raumtemperatur ein Perlitanteil von rund 89,8 % und entsprechend einen Korngrenzenzementitanteil von 10,2 %:

\begin{align}
&\underline{\text{Perlit}} = \frac{6,67-1,4}{6,67-0,8} \cdot 100 \text{ %} = \underline{89,8 \text{ %}}   \\[5px]
&\underline{\text{Korngrenzenzementit}} = \frac{1,4-0,8}{6,67-0,8} \cdot 100 \text{ %} =  \underline{10,2 \text{ %}}   \\[5px]
\end{align}

Grundsätzlich sinkt für einen übereutektoiden Stahl der Perlitanteil mit steigendem Kohlenstoffgehalt stetig bis auf minimal 78,5 % (bei 2,06 % Kohlenstoff). Entsprechend steigt der Anteil an Korngrenzenzementit bis auf maximal 21,5 %. Der detailliertere Zusammenhang zeigt das entsprechende Gefügediagramm unterhalb des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms.

Auch für einen übereutektoiden Stahl ist der Begriff des Gefügeanteils wieder von dem Begriff des Phasenanteils zu unterscheiden. Schließlich befindet sich die Phase Zementit nicht nur an den Korngrenzen sondern auch im Perlitgefüge, welches zudem noch aus Ferrit besteht. Die entsprechenden Phasenanteile an Ferrit und Zementit können nach Ziehen der Hebelarme an die jeweiligen Phasengrenzen ermittelt werden.

Für den übereutektoiden Stahl mit 1,4 % Kohlenstoff bestimmt sich der Phasenanteil an Ferrit somit zu insgesamt 79,0 %. Die restlichen 21,0 % entfallen schließlich auf die Phase Zementit:

\begin{align}
&\underline{\text{Ferrit}} = \frac{6,67-1,4}{6,67} \cdot 100 \text{ %} = \underline{79,0 \text{ %}}   \\[5px]
&\underline{\text{Zementit}} = \frac{1,4}{6,67} \cdot 100 \text{ %} =  \underline{21,0 \text{ %}}   \\[5px]
\end{align}

Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nimmt grundsätzlich auch der Zementitanteil im Stahl zu. Da der Zementit relativ hart ist, erhöht sich die Härte des Stahls dementsprechend. Es ergibt sich dabei ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen dem Kohlenstoffgehalt und der Härte des (unlegierten) Stahls.

Darüber hinaus erschwert die feinlamellare Zementitausscheidung im Gefüge die Versetzungsbewegung, was einen entsprechenden Festigkeitsanstieg zur Folge hat (siehe Verfestigungsmechanismen). Dabei dienen die feinen Lamellen als Barrierehindernisse für die wandernden Versetzungen. Da mit steigendem Kohlenstoffgehalt vermehrt Zementit ausgeschieden wird, nimmt auch der Anteil an feinlamellarem Perlitgefüge zu. Somit steigt mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt zunächst auch die Festigkeit des Stahls.

Ab einer Kohlenstoffkonzentration von 0,8 % findet allerdings eine zusätzliche Zementitausscheidung an den Korngrenzen statt, was dann wiederum zu einer Versprödung führt. Dies gilt natürlich nur für unlegierte Stähle, d.h. für solche Stähle die außer Eisen und Kohlenstoff keine weiteren Legierungselemente beinhalten. Durch zusätzliche Legierungselemente wie Chrom, Nickel, Mangan, Titan etc. kann die Festigkeit jedoch auch jenseits eines Kohlenstoffgehaltes von 0,8 % beträchtlich gesteigert werden.

Die Festigkeit des Stahls ist also im entscheidenden Maße durch die lamellare Zementitstruktur bestimmt. Je feinlamellarer das Perlitgefüge, desto höher die Festigkeit. Eine sehr feine lamellare Struktur kann durch eine verstärkte Unterkühlung erzielt werden. Dabei ist allerdings zu beachten, dass sich mit steigender Abkühlgeschwindigkeit letztlich kein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen bzw. innerhalb der Phasen einstellen kann. Sowohl die Umwandlungstemperaturen als auch die auftretenden Gefügearten verändern sich und das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm verliert in seiner bisherigen Form an Gültigkeit.

Phasendiagramme gelten nur bei (unendlich) langsamen Abkühlgeschwindigkeiten!

Konkret bedeutet dies beispielsweise, dass durch eine rasche Abkühlung dem Kohlenstoff während der \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung keine Zeit mehr bleibt auszudiffundieren. Es entsteht dann eine neue verzerrte Gefügestruktur die Martensit genannt wird. Dies wird unter anderem beim Härten und Vergüten von Stahl genutzt.

Einleitung

Wie im Artikel Gefügeentstehung von Stählen während der Erstarrung erläutert, nimmt der Kohlenstoff Einfluss auf die Temperatur der γ-α-mwandlung. Mit steigender Kohlenstoffkonzentration sinkt der Umwandlungsbeginn ausgehend von 911 °C bei Reineisen hin zu immer niedrigeren Temperaturen und verharrt ab einer Kohlenstoffkonzentration von 0,8 % schließlich konstant auf einem Wert von 723 °C.

Dementsprechend können drei unterschiedliche Stahlarten unterschieden werden, die jeweils typische Gefügeänderungen während der Abkühlung durchlaufen:

• eutektoide Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von exakt 0,8 %!
• übereutektoide Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt größer 0,8 %!
• untereutektoide Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt kleiner 0,8 %!

Auf die unterschiedlichen Phasenumwandlungen während der Abkühlung aus dem austenitischen Zustand wird in den folgenden Abschnitten näher eingegangen.

Eutektoide Phasenumwandlung

Die Vorgänge im Gefüge während der γ-α-Umwandlung werden im Folgenden anhand eines sogenannten eutektoiden Stahles C80 mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,8 % näher erläutert.

Nachdem der Stahl in einem Temperaturbereich erstarrt ist und sich somit das Mischkristallgefüge Austenit gebildet hat, unterliegt der Stahl bei einer Temperatur von 723 °C schließlich der γ-α-Umwandlung. Nun beginnt sich die kubisch-flächenzentrierte Gitterstruktur des Austenits bei konstanter Temperatur (Haltepunkt) in die kubisch-raumzentrierte Ferritstruktur umzuwandeln.

Da im Ferritgitter die Würfelmitte bereits durch ein Eisenatom besetzt ist, kann der Kohlenstoff darin nicht mehr gelöst werden. Der Kohlenstoff wird bei dieser Gitterumwandlung in der metastabilen Form des Eisencarbid Fe₃C (Zementit) ausgeschieden. Aufgrund der relativ niedrigen Temperatur von 723 °C sind die ausgeschiedenen Atome träge und können keine großen Wege zurücklegen. Sie scheiden sich deshalb direkt aus dem Gitter aus und lagern sich in einer lamellenförmigen Struktur aneinander.

Hat sich schließlich das Austenitgitter vollständig in das Ferritgitter umgewandelt, so ist der Kohlenstoff (fast) vollständig aus dem Eisengitter ausgeschieden. Aus den ehemaligen Austenitkörnern sind nun Ferritkörner mit eingelagerten Zementitlamellen geworden. Dieses lamellenförmige Phasengemisch aus Ferrit und Zementit wird aufgrund seines perlmuttartigen Glanzes unter dem Mikroskop auch als Perlit bezeichnet.

Als Perlit bezeichnet man das sich bei 723 °C bildende eutektoide Phasengemisch, bestehend aus Ferrit und eingelagerten Zementitlamellen!

Beachte, dass sich während der γ-α-Umwandlung in der Regel auch die äußere Form der Körner ändert! Während Austenit eher polyedrisch und damit eine eckige Kornstruktur aufweist, sind die Perlitkörner eher rundlich. Ursache für die polyedrische Form des Austenits ist die verstärkte Bildung von sogenannten Zwillingskorngrenzen. Die Wandlung der Kornform während der γ-α-Umwandlung wird bspw. beim sogenannten Normalglühen gezielt genutzt, um ungleichmäßig große Körner in einem Gefüge zu beseitigen und so eine homogene Kornfeinung zu erzielen.

Das vorliegende Perlitgefüge ähnelt aufgrund seiner lamellenförmigen Struktur sehr dem eutektischen Gefüge einer Kristallgemischlegierung. Der Unterschied zum Eutektikum besteht lediglich darin, dass sich ein Eutektikum aus dem flüssigen Zustand bildet während sich das Perlitgefüge aus dem bereits erstarrten Zustand formt. In Abgrenzung hierzu wird dieses Phasengemisch deshalb nicht als Eutektikum sondern als Eutektoid bezeichnet.

Im vorliegenden Fall weist der Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,8 % somit ein rein eutektoides Gefüge auf. Ein solcher Stahl wird deshalb auch als eutektoider Stahl bzw. perlitischer Stahl bezeichnet wird.

Eutektoide Stähle weisen mit 0,8 % Kohlenstoff bei Raumtemperatur ein rein perlitisches Gefüge auf (Ferritkörner mit eingelagerten Zementitlamellen)!

Das unten abgebildete Gefügebild zeigt einen perlitischen Stahl mit 0,8 % Kohlenstoff. Zu sehen sind die streifenförmig eingebetteten Zementitlamellen (dunkle Streifen) in den Ferritkörnern (helle Bereiche dazwischen).

Ein rein eutektoides Perlitgefüge liegt allerdings nur dann vor, wenn der Stahl einen Kohlenstoffgehalt von exakt 0,8 % aufweist. Welche Auswirkung eine höhere Kohlenstoffkonzentration auf den Gefügeaufbau des Stahls hat, wird im folgenden Abschnitt näher betrachtet.

Übereutektoide Phasenumwandlung

Begrenzte Löslichkeit des Kohlenstoffs im Austenit

Auch bei sogenannten übereutektoiden Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt größer 0,8 % liegt das Gefüge unmittelbar nach der Erstarrung zunächst als reines Mischkristallgefüge vor (Austenit).

Der Kohlenstoff ist in diesem Austenitgefüge zwar relativ gut aber grundsätzlich nicht unbegrenzt löslich. Die Kohlenstoffatome sind im Vergleich zu den freien Oktaederlücken in den Würfelmitten der kubisch-flächenzentrierten Elementarzellen nämlich relativ groß. Werden die Eisenatome als sich berührende Kugeln angenommen, so ergibt sich in der Würfelmitte eine Lücke in die rechnerisch eine Kugel mit maximal dem 0,4-fachen Durchmesser der Eisenatome passt. Die Kohlenstoffatome weisen allerdings in etwa den 0,6-fachen Durchmesser auf.

Somit sind die Kohlenstoffatome eigentlich zu groß, um ohne Weiteres in die freien Oktaederlücken zu passen. Dies hat zur Folge, dass es im Umfeld der eingelagerten Kohlenstoffatome zu Gitterverzerrungen kommt. Innerhalb des verzerrten Gitterbereichs kann schließlich kein weiteres Kohlenstoffatom eingelagert werden, da die Gitterverzerrungen zu stark sind. Erst in gewissen Abständen können wieder weitere Kohlenstoffatome eingelagert werden. Die Löslichkeit der Kolhlenstoffatome im γ-Eisen ist also begrenzt.

Wie viel Kohlenstoffatome im Austenitgitter maximal gelöst werden können, hängt in entscheidendem Maße von der Temperatur ab. Schließlich bedeutet eine geringere Temperatur auch eine verminderte Gitterschwingung. Somit wird der Platz innerhalb der Elementarzellen mit abnehmender Temperatur ebenfalls geringer. Dies hat zur Folge, dass weniger Kohlenstoffatome im Austenitgitter eingelagert werden können. Folglich sinkt die Löslichkeit der Kohlenstoffatome mit abnehmender Temperatur! Umgekehrt bedeutet eine höhere Temperatur folglich eine größere Löslichkeit.

Die Löslichkeit des Kohlenstoffs im Austenit nimmt mit sinkender Temperatur ab!

Die maximal mögliche Löslichkeit des Kohlenstoffs im Austenit zeigt sich bei einer Temperatur von 1147 °C mit 2,06 %. Dabei ist jede 2. bis 3. Elementarzelle mit einem Kohlenstoffatom besetzt. Mit abnehmender Temperatur sinkt die Löslichkeit stetig und beträgt unmittelbar beim Zerfall des Austenits in die kubisch-raumzentrierte Struktur bei 723 °C nur noch maximal 0,8 %. Dabei finden die Kohlenstoffatome nur noch in jeder 6. bis 7. Elementarzelle einen Platz.

Anhand der eingezeichneten Löslichkeitsgrenze im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm kann schließlich für jede andere Temperatur im Austenitgebiet der entsprechend maximal zu lösende Kohlenstoffgehalt ermittelt werden (siehe schwarze Linie). So ergibt sich bspw. bei einer Temperatur von 1000 °C eine maximale Löslichkeit des Kohlenstoffs von rund 1,6 %, während die Löslichkeit bei 940 °C nur noch etwa 1,4 % beträgt und bei 800 °C sogar auf ca. 1,0 % gefallen ist.

Gefügeänderung eines übereutektoiden Stahls

Aufgrund der begrenzen Löslichkeit ergeben sich beim Abkühlvorgang von übereutektoiden Stählen Gefügeänderungen sobald die Löslichkeitsgrenze überschritten wird, da der Stahl dann offensichtlich mehr Kohlenstoff enthält als das Gitter eigentlich lösen kann. Am Beispiel eines Stahls mit 1,4 % Kohlenstoff (C140) wird im Folgenden auf die dabei stattfindenden Gefügeänderungen näher eingegangen.

Zunächst erstarrt der übereutektoide Stahl wie andere Stähle auch als Mischkristalllegierung in einem Erstarrungsbereich. Aufgrund der hohen Temperaturen unmittelbar nach der Erstarrung ist der gesamte Kohlenstoff zunächst vollständig im Austenitgitter löslich.

Schließlich beginnt die Löslichkeit ab einer Temperatur von 1147 °C gemäß der eingezeichneten Löslichkeitsgrenze stetig zu sinken. Bei 1000 °C beträgt die maximale Löslichkeit nur noch rund 1,6 %. Da der betrachtete Stahl jedoch einen geringen Kohlenstoffgehalt von 1,4 % aufweist, ist zunächst immer noch der gesamte Kohlenstoff im Austenitgitter löslich. Da der Stahl in diesem Zustand theoretisch sogar noch mehr Kohlenstoff lösen könnte, bezeichnet man diesen als sogenannten untersättigten Zustand.

Schließlich nimmt die maximale Löslichkeit mit abnehmender Temperatur weiter ab und ist bei 940 °C auf 1,4 % gesunken. Der Zustandspunkt befindet sich dabei genau auf der Löslichkeitsgrenze. Bei dieser Temperatur kann also gerade noch der gesamte im Stahl enthaltene Kohlenstoff vollständig im Austenitgitter gelöst werden. Da das Austenitgitter in diesem Zustand vollständig mit Kohlenstoff gesättigt ist, spricht man auch von einem sogenannten gesättigten Zustand.

Wird nun weiter abgekühlt, so liegt der Kohlenstoffgehalt des Stahls über der maximalen Löslichkeit. Dies wird bspw. bei Betrachtung der Temperatur von 800 °C deutlich. Gemäß der Löslichkeitsgrenze kann bei dieser Temperatur nur ca. 1,0 % Kohlenstoff im Austenitgitter gelöst werden; der Stahl besitzt allerdings einen Kohlenstoffgehalt von 1,4 %. Das Gefüge muss sich offensichtlich bei Überschreiten der Löslichkeitsgrenze in irgendeiner Weise ändern (Phasenumwandlung), denn sonst befände sich im Austenitgitter mehr Kohlenstoff als eigentlich darin gelöst werden könnte.

Befindet sich der Stahl kurz nach Überschreiten der Löslichkeitsgrenze im sogenannten übersättigten Zustand (es ist also kurzfristig mehr Kohlenstoff im Gitter gelöst als dieses eigentlich aufnehmen kann), so wird das „Zuviel“ an Kohlenstoff aus dem Austenitgitter ausgeschieden. Im metastabilen System vollzieht sich diese Segregation des Kohlenstoffs dabei in Form von Zementit (Fe₃C).

Die Zementitausscheidung findet bevorzugt an energetisch günstigen Stellen wie Korngrenzen statt, weshalb das ausgeschiedene Zementit auch als Korngrenzenzementit bezeichnet wird. Häufig ist auch die Bezeichnung Sekundärzementit zu lesen.

Beachte, dass der Zementit nicht wie bei der Perlitbildung in Mitten der Gitterstruktur in lamellenform ausgeschieden wird. Denn Ursache der Zementitausscheidung während der Perlitbildung ist die Umwandlung der Gitterstruktur. Bei Überschreiten der Löslichkeitsgrenze hingegen bleibt die Austenitgitterstruktur erhalten, d.h. es findet keine Gitterumwandlung statt. Die Mechanismen der Zementitausscheidung bei der Perlitbildung und bei Überschreiten der Löslichkeitsgrenze sind deshalb grundverschieden!

Bei übereutektoiden Stählen scheidet sich bei Abkühlung der nicht mehr lösbare Kohlenstoff im Austenitgitter in Form von Zementit an den Korngrenzen aus (Korngrenzenzementit)!

Die Zementitausscheidung an den Korngrenzen geht letztlich mit einem geänderten energetischen Zustand einher. Es wird Energie im Gitter frei, die der äußeren Abkühlung entgegenwirkt. Deshalb tritt auch bei Überschreiten der Löslichkeitsgrenze eine Verlangsamung der Abkühlgeschwindigkeit ein. In der entsprechenden Abkühlkurve macht sich diesem in einem Knickpunkt bemerkbar.

Bei Überschreiten der Löslichkeitsgrenze kann mit weiterer Abkühlung immer weniger Kohlenstoff im Austenit gelöst werden. Somit scheidet sich im weiteren Abkühlverlauf immer mehr Zementit an den Korngrenzen aus. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Austenit gemäß seiner Löslichkeit immer gerade mit Kohlenstoff gesättigt ist. Deshalb entspricht bei Überschreiten der Löslichkeitsgrenze die Kohlenstoffkonzentration im Austenit stets der maximal möglichen Löslichkeit. Dies setzt natürlich voraus, dass hinreichend langsam abgekühlt wird, sodass dem Kohlenstoff auch Zeit gewährt wird sich auszuscheiden. Nur so kann sich stets ein thermodynamischer Gleichgewichtszustand einstellen.

Wird der Stahl nun weiter abgekühlt so sinkt die maximale Löslichkeit und damit der Kohlenstoffgehalt im Austenit immer mehr, bis dieser bei 723 °C schließlich die eutektoide Zusammensetzung von 0,8 % Kohlenstoff erreicht hat. Der Austenit verhält sich dann im Prinzip wie ein eutektoider Stahl, der ja gerade 0,8 % Kohlenstoff enthält.

Bei konstanter Temperatur von 723 °C beginnt der Austenit nun in Perlit zu zerfallen, indem sich das kubisch-flächenzentrierte Austenitgitter in die für den Kohlenstoff gänzlich unlösliche kubisch-raumzentrierte Struktur des Ferrits umwandelt. Dabei wird der Kohlenstoff in Form von Zementitlamellen direkt aus dem Gitter ausgeschieden.

Durch die Ausscheidung des Zementits aus dem Austenit verarmt dieser an Kohlenstoff, bis bei 723 °C die eutektoide Zusammensetzung erreicht ist und sich der Restaustenit zu Perlit wandelt.

Nach dieser letzten Gefügeumwandlung ist der Abkühlprozess schließlich abgeschlossen und das Gefüge des übereutektoiden Stahls besteht aus Perlitkörnern (Ferritkörner mit eingelagerten Zementitlamellen) und dem zuvor an den Korngrenzen ausgeschiedenen Korngrenzenzementit.

Übereutektoide Stähle weisen bei Raumtemperatur ein perlitisches Grundgefüge (Ferritkörner mit eingelagerten Zementitlamellen) mit zusätzlich ausgeschiedenem Zementit an den Korngrenzen auf!

Das abgebildete Gefügebild zeigt einen übereutektoiden Stahl mit 1,0 % Kohlenstoff (unlegierter Stahl C100). Zu sehen sind die Perlitkörner (dunkel) und der an den Korngrenzen ausgeschiedene Zementit (weiß). Die feinen Zementitlamellen im Perlit sind lichtmikroskopisch schwer auflösbar und erscheinen deshalb oft einfarbig.

Neben übereutektoiden Stählen mit einer Kohlenstoffkonzentration von über 0,8 % gibt es auch Stähle mit einem Kohlenstoff unterhalb 0,8 %. Man spricht dann von untereutektoiden Stählen. Bei solchen Stählen finden während der Abkühlung nochmals andere Gefügeumwandlungen statt. Auf diese wird im folgenden Abschnitt näher eingegangen.

Untereutektoide Phasenumwandlung

Im Folgenden wird die Abkühlung eines untereutektoiden Stahls betrachtet werden. Ein Stahl wird dann als untereutektoid bezeichnet, wenn dieser einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,8 % aufweist. Exemplarisch sollen die Gefügeumwandlungen an einem untereutektoiden Stahl mit 0,4 % Kohlenstoff näher erläutert werden.

Zunächst erstarrt auch der untereutektoide Stahl wieder wie jeder andere Stahl als reines Mischkristallgefüge. Der Kohlenstoff ist im Austenitgefüge zunächst vollständig löslich.

Grundsätzlich besitzt ein untereutektoider Stahl zu wenig Kohlenstoff, um die maximale Löslichkeitsgrenze des Kohlenstoffs im Austenitgitter zu überschreiten. Bei der geringstmöglichen Temperatur von 723 °C – oberhalb deren Austenit überhaupt erst existiert – beträgt die (Mindest)Löslichkeit für den Kohlenstoff im Austenit bereits 0,8 %. Die Kohlenstofflöslichkeit liegt somit stets höher als der Kohlenstoffgehalt von untereutektoiden Stählen.

Dies zeigt sich bereits beim Eintragen der Legierungslinie eines beliebigen untereutektoiden Stahls in das Phasendiagramm. Alle untereutektoiden Stähle werden im Prinzip nie an die Löslichkeitsgrenze stoßen oder diese gar überschreiten können. Der gesamte Kohlenstoff bleibt also bei untereutektoiden Stählen stets im Austenitgitter löslich. Das Austenitgefüge befindet sich im Allgemeinen permanent in einem untersättigen Zustand, da mehr Kohlenstoff darin gelöst werden könnte als überhaupt im Stahlgefüge enthalten ist!

Bei untereutektoide Stählen bleibt stets der gesamte Kohlenstoff im Austenitgitter löslich!

Die Gefügeumwandlung eines untereutektoiden Stahls wird also nicht durch die Löslichkeitsgrenze wie bei übereutektoiden Stählen bestimmt sondern vielmehr durch die einsetzende γ-α-Umwandlung. So bewirkt der Kohlenstoff im Eisen zwar eine Verschiebung der γ-α-Umwandlung hin zu niedrigeren Temperaturen im Vergleich zu reinem Eisen, aber dennoch wird sie ab einer bestimmten Temperatur einsetzen. Das Einsetzen der Gitterumwandlung kann an der roten Umwandlungslinie im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm abgelesen werden, an die letztlich jeder untereutektoide Stahl im Laufe seiner Abkühlung stößt.

Bei einem untereutektoiden Stahl von 0,4 % Kohlenstoff setzt die Gitterumwandlung vom kubisch-flächenzentrierten Austenitgitter in die kubisch-raumzentrierten Ferritstruktur bei rund 800 °C ein (statt wie bei Reineisen bei 911 °C). Dabei beginnt sich das kubisch-flächenzentrierte Gitter vorzugsweise an den energetisch günstigen Korngrenzen in die kubisch-raumzentrierte Struktur umzuwandeln. Diese Gitterumwandlung breitet sich bei weiterer Abkühlung auf die umliegende Austenitstruktur aus.

Dieser Gitterumwandlungsprozess vollzieht sich nicht mehr bei konstanter Temperatur wie im Falle des Reineisens sondern in einem Temperaturbereich. Diese Gitterumwandlung umfasst im Diagramm somit wieder ein Zweiphasengebiet, in dem das Gefüge zu Teilen aus dem bereits umgewandelten Ferrit und dem restlichen Austenit besteht.

Bei untereutektoiden Stählen wandeln sich bei Abkühlung zunächst Teile des Austenits in das für den Kohlenstoff unlösliche Ferrit um!

Da der Kohlenstoff im bereits umgewandelten α-Eisen nicht mehr gelöst werden kann, wird dieser aus der kubisch-raumzentrierten Ferritstruktur verdrängt. Die umliegende Austenitstruktur ist aufgrund des untersättigten Zustandes allerdings noch in der Lage diesen verdrängten Kohlenstoff aufzunehmen.

So kann der Austenit zu Beginn der Gitterumwandlung bei knapp 800 °C bis ca. 1,0 % Kohlenstoff aufnehmen; der betrachtete Stahl besitzt allerdings gerade einmal einen Kohlenstoffgehalt von 0,4 %. Im Austenit findet sich also noch genügend Raum, um die verdrängten Kohlenstoffatome aufnehmen zu können. Deshalb diffundiert der aus dem Ferritgitter ausgeschiedene Kohlenstoff in den angrenzenden Restaustenit.

Anders als bei bei übereutektoiden Stählen lagert sich der Kohlenstoff nicht in Form von Zementit an den Korngrenzen ab sondern wird vom umliegenden Austenit aufgenommen!

Bei weiterer Abkühlung wachsen die Ferritkörner, sodass mehr und mehr Kohlenstoff in die umliegenden Austenitkörner eindiffundiert. Dies führt im Austenit zu einer entsprechenden Anreicherung des Kohlenstoffgehaltes. Die jeweiligen Konzentrationen können – wie in Zweiphasengebieten üblich – nach Anfahren der Phasengrenze und anschließendes Fällen des Lotes auf die Konzentrationsachse ermittelt werden. Bei 750 °C hat sich bspw. der Kohlenstoffgehalt im Austenit auf ca. 0,6 % angereichert, während die Kohlenstoffkonzentration im Ferrit aufgrund der vernachlässigten Löslichkeit natürlich 0 % beträgt.

Bei weiterer Abkühlung und somit voranschreitender Ferritbildung reichert sich der Kohlenstoffgehalt im Restaustenit immer mehr an. Bei 723 °C ist der Kohlenstoffgehalt schließlich auf 0,8 % gestiegen. Der Restaustenit hat nun die eutektoide Zusammensetzung erreicht und ist vollständig gesättigt, d.h. dieser kann keinen weiteren Kohlenstoff mehr aufnehmen. Der Restaustenit verhält sich nun wie ein eutektoider Stahl und beginnt sich schließlich bei konstanter Temperatur zum Eutektoid Perlit zu wandeln.

Durch die Ausscheidung des Ferrits aus dem Austenit reichert sich dieser mit Kohlenstoff an, bis bei 723 °C die eutektoide Zusammensetzung erreicht ist und sich der Restaustenit zu Perlit wandelt.

Somit vollzieht jetzt auch der restliche Austenit die Gitterumwandlung hin zur kohlenstoffunlöslichen kubisch-raumzentrierten Ferritstruktur. Der ehemals im Austenitgitter gelöste Kohlenstoff bildet dabei die Eisencarbidverbindung Zementit, welches sich bei der Gitterumwandlung lamellenförmig aus dem Restaustenit ausscheidet.

Untereutektoide Stähle weisen bei Raumtemperatur ein perlitisches Grundgefüge (Ferritkörner mit eingelagerten Zementitlamellen) mit den zuvor gebildeten Ferritkörnern auf!

Das unten abgebildete Gefügebild zeigt einen untereutektoiden Stahl mit 0,45 % Kohlenstoff (Vergütungsstahl C45). Zu sehen sind die Ferritkörner (weiß) und Perlitkörner (dunkel gestreift). Im Vergleich hierzu ist ein Gefügebild eines untereutektoiden Stahls mit einem höheren Kohlenstoffgehalt von 0,60 % (Vergütungsstahl C60) gezeigt. Der C60 weist aufgrund der höheren Kohlenstoffkonzentration auch einen deutlich höheren Perlitanteil im Gefüge auf.

Anmerkung

Beachte, dass die γ-α-Umwandlung unabhängig der tatsächlichen Kohlenstoffkonzentration des Stahls immer bei 723 °C abgeschlossen ist, da der Restaustenit bei dieser Temperatur stets die eutektoide Zusammensetzung von 0,8 % Kohlenstoff erreicht hat. Dies gilt letztlich nicht nur für untereutektoide Stähle sondern auch für übereutektoide Stähle!

Während sich für untereutektoide Stähle die Kohlenstoffkonzentration im Restaustenit durch die Ferritausscheidung bis auf 0,8% Kohlenstoff anreichert, so verringert sich für übereutektoide Stähle die Kohlenstoffkonzentration im Restaustenit durch die Zementitausscheidung an den Korngrenzen bis dort ebenfalls 0,8 % Kohlenstoff erreicht sind. In beiden Fällen ist diese eutektoide Zusammensetzung des Restaustenits bei einer Temperatur von 723 °C erreicht und der Restaustenit zerfällt im Folgenden bei dieser konstanten Temperatur immer zu Perlit.

Einleitung

Bei Stählen handelt es sich im Prinzip um Zweistofflegierungen, bestehend aus dem Hauptelement Eisen und dem Legierungselement Kohlenstoff mit maximal 2 % Anteil (über 2 % Kohlenstoff wird die Eisen-Kohlenstoff-Legierung als Gusseisen bezeichnet!). Dabei sorgt der Kohlenstoff für die nötige Festigkeit und Härte, da Eisen alleine als Konstruktionswerkstoff zu weich wäre. Um Stähle gemäß diesen unterschiedlichen Anforderungen (hohe Härte oder hohe Festigkeit, oder ein Kompromiss aus beiden) gezielt herstellen zu können, ist ein tiefergehendes Verständnis über das Zweistofflegierungssystem Eisen/Kohlenstoff erforderlich.

Stahl ist Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, wobei der Kohlenstoffgehalt unter 2 % liegt! Bei einem Kohlenstoffgehalt von über 2 % spricht man von Gusseisen!

Anders als die bisher betrachteten Zweistoffsysteme, findet bei Eisen allerdings nicht nur während der Erstarrung eine Phasenumwandlung statt. Eisen zeigt darüber hinaus eine Polymorphie (Allotropie), d.h. je nach Temperatur existiert Eisen in unterschiedlichen Gittermodifikationen. Diese bedingen im festen Zustand weitere Phasenumwandlungen. Deshalb gestaltet sich das Phasendiagramm des Legierungssystems Eisen/Kohlenstoff etwas komplexer.

Um die Gefügevorgänge im Inneren eines Stahls verstehen zu können, ist es sinnvoll zunächst die Gefügeentstehung von reinem Eisen näher zu betrachten. Aus diesem Grund wird im folgenden Abschnitt die Abkühlkurve von Eisen näher diskutiert.

Gefügeentstehung von Reineisen

Im Folgenden soll das Abkühlverhalten von reinem Eisen näher betrachtet werden. Da Reineisen im erstarrten Zustand relativ weich ist, bezeichnet man dieses auch als Weicheisen.

Die Abkühlkurve von reinem Eisen (Fe) weist eine Reihe von Haltepunkten auf bei denen jeweils unterschiedliche Vorgänge im Gefüge stattfinden. Der erste Haltepunkt findet sich bei der Erstarrungstemperatur von 1536 °C wieder. Dort kristallisiert die Schmelze in einer kubisch-raumzentrierten Gitterstruktur (krz). In diesem Zustand wird das Eisen auch als \(\delta\)-Eisen (\(\delta\)-Fe) bezeichnet. Beachte, dass beim \(\delta\)-Eisen das gesamte Gefüge bereits vollständig erstarrt ist. Somit vollziehen sich alle weiteren Phasenumwandlungen letztlich im bereits erstarrten Zustand!

Bei einer Temperatur von 1392 °C wandelt sich das kubisch-raumzentrierte \(\delta\)-Eisen bei konstanter Temperatur in die kubisch-flächenzentrierte Struktur (kfz) um. In dieser Gittermodifikation wird das Eisen auch als \(\gamma\)-Eisen bezeichnet. Da sich bei einer Gitterumwandlung die Atomstruktur und somit die Bindungsenergien ändern ist dies auch mit einem Energieumsatz wie bei einer Aggregatzustandsänderung verbunden. Deshalb ändert sich die Gitterstruktur bei konstanter Temperatur (Haltepunkt)!

Eine nochmalige Gitterumwandlung findet schließlich bei 911 °C statt. Bei dieser Temperatur wandelt sich das kubisch-flächenzentrierte Eisen wieder in die kubisch-raumzentrierte Struktur um. In dieser Form wird das Eisen auch (\beta\)-Eisen genannt.

Ein letzter Haltepunkt tritt schließlich bei einer Temperatur von 769 °C auf. Dieser ist allerdings nicht auf eine Gitterumwandlung zurückzuführen ist! Ursache des Haltepunktes ist ein quantenmechanischer Effekt, der dafür verantwortlich ist, dass das Eisen unterhalb dieser Temperatur magnetisch ist und oberhalb nicht! Diese Temperatur wird auch als Curie-Temperatur bezeichnet (außer Eisen sind nur noch die Elemente Kobalt und Nickel bei Raumtemperatur ferromagnetisch). Der magnetische Zustand des Eisen mit seiner kubisch-raumzentrierten Gitterstruktur wird auch als (\alpha\)-Eisen bezeichnet.

Als Curie-Temperatur bezeichnet man jene Temperatur ab der ein ferromagnetischer Stoff seine magnetischen Eigenschaften verliert!

Das unten abgebildete Gefügebild zeigt Weicheisen (α-Eisen) im nahezu kohlenstofffreien Zustand. Zu sehen sind die Eisenkörner (weiße Bereiche) und Silikateinschlüsse (dunkle Punkte).

Nachdem nun die Gefügeumwandlungen des reinen Eisens erläutert wurden, wird im folgenden Artikel auf die Phasenumwandlungen in Anwesenheit von Kohlenstoff (Stahl) näher eingegangen.

Gefügeentstehung von Stahl

Im vorherigen Abschnitt wurden die Phasenumwandlungen von reinem Eisen näher betrachtet. Stähle bestehen neben Eisen jedoch noch aus Kohlenstoff. Dies führt allerdings dazu, dass sich die erläuterten Phasenumwandlungen des Eisens verschieben! Auf welche Weise der Kohlenstoff dabei die Zustandsänderungen beeinflusst kann am besten durch das entsprechende Phasendiagramm erläutert werden.

Das Zustandsdiagramm des Eisen-Kohlenstoff-Systems wird auch als Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD) bezeichnet. Aufgrund der Komplexität soll an dieser Stelle die Erstellung des Phasendiagrammes anhand ausgewählter Abkühlkurven nicht durchgeführt werden. Darüber hinaus wird das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm in den folgenden Abschnitten zunächst nur bis zu einem Kohlenstoffgehalt von rund 2 % betrachtet, da nur dieser Bereich für Stähle relevant ist. Dieser Bereich im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm wird deshalb auch als Stahlecke bezeichnet. Auf höhere Kohlenstoffkonzentrationen wird in separaten Abschnitten näher eingegangen.

Als Stahlecke bezeichnet man den Ausschnitt des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms bis zu einem für Stähle relevanten Kohlenstoffgehalt von 2 %!

Der Kohlenstoff beeinflusst die Erstarrung des Stahls zunächst wie eine Mischkristalllegierung. Die Stahlecke weist deshalb den typisch linsenförmigen Zweiphasenbereich während der Erstarrung auf. Der Erstarrungsbeginn wird wiederum durch die Liquiduslinie und das Erstarrungsende durch die Soliduslinie beschrieben. Zwischen diesen Linien erfolgt die Gefügebildung mit entsprechend verlangsamter Abkühlgeschwindigkeit. Aus dem Phasendiagramm wird offensichtlich, dass sich der Erstarrungsbereich mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt zu niedrigeren Temperaturen hin verschiebt.

Der Kohlenstoff verschiebt den Erstarrungsbereich des Stahls hin zu niedrigeren Temperaturen!

Darüber hinaus führt der Kohlenstoff bereits in geringen Mengen (> 0,1%) dazu, dass die kubisch-raumzentrierte \(\delta\)-Phase vollständig unterdrückt wird. Der Stahl kristallisiert dann sofort in der kubisch-flächenzentrierten Gitterstruktur des \(\gamma\)-Eisens. Da die \(\delta\)-Phase ohnehin keinerlei technische Bedeutung hat, wird das Zustandsdiagramm sehr häufig in vereinfachter Form ohne diesen Phasenbereich dargestellt.

Stähle verhalten sich während der Erstarrung wie Mischkristalllegierungen, bei denen das Legierungselement Kohlenstoff vollständig im Basisstoff Eisen löslich ist.

Die gute Löslichkeit des Kohlenstoffs ist dabei der kubisch-flächenzentrierten Gitterstruktur des \(\gamma\)-Eisens zu verdanken. Die relativ kleinen Kohlenstoffatome finden dabei in den freien Würfelmitten der kubisch-flächenzentrierten Elementarzellen des Eisens Platz. Da das Kohlenstoffatom in dieser freien Lücke von 6 Eisenatomen umgeben ist, die die Eckpunkte eines Oktaeders beschreiben, wird diese Lücke in der Würfelmitte auch also Oktaederlücke bezeichnet.

Es handelt sich in diesem Fall also um einen Einlagerungsmischkristall, bei dem das Kohlenstoffatom auf den Zwischengitterplätzen des Eisens eingelagert ist. Dieses aus der Schmelze heraus entstandene kubisch-flächenzentriearte Eisengefüge mit den darin eingelagerten Kohlenstoffatomen wird auch als Austenit bezeichnet.

Als Austenit bezeichnet man die kubisch-flächenzentrierte Gitterstruktur des \(\gamma\)-Eisens mit darin eingelagerten Kohlenstoffatomen in den Oktaederlücken (Mischkristall)!

Dementsprechend enthält das Zweiphasengebiet zwischen der Liquidus- und der Soliduslinie die Phasen Schmelze (Sm) und Austenit (Au). Im Zweiphasengebiet können die jeweiligen Kohlenstoffkonzentrationen der beiden Phasen wie üblich über das Fällen des Lotes auf die Konzentrationsachse ermittelt werden. Die Phasenanteile bestimmen sich dabei wiederum mithilfe des Hebelgesetzes (mehr Informationen hierzu siehe Kapitel Mischkristalllegierungen).

Es finden bei der Erstarrung von Stählen also dieselben Mechanismen wie bei einer Mischkristalllegierung Anwendung. Dies gilt allerdings nur solange wie die Temperaturen ausreichend hoch sind und das Eisen somit im kubisch-flächenzentriertem Zustand vorliegt. Denn nur dann ist der Kohlenstoff vollständig im Eisengitter löslich und die Legierung kann als Mischkristalllegierung angesehen werden.

Die Phase Austenit existiert nur bei ausreichend hohen Temperaturen, solange das Eisen in der kubisch-flächenzentrierten Struktur vorliegt!

Allerdings ändert Eisen bedingt durch seine Allotropie bei Absenken der Temperatur irgendwann die kubisch-flächenzentrierte Struktur und geht schließlich in das kubisch-raumzentrierte \(\alpha\)-Eisen über. Mit sinkender Temperatur ist also eine weitere Phasenumwandlung verbunden, die nunmehr allerdings im bereits erstarrten Gefüge stattfindet! Auf diese Umwandlung wird im nächsten Abschnitt näher eingegangen werden.

Kohlenstoffausscheidung (\(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung)

Reines Eisen ändert bei Unterschreiten der Temperatur von 911 °C seine kubisch-flächenzentrierte \(\gamma\)-Eisen-Struktur und geht in die kubisch-raumzentrierte Gittermodifikation des \(\alpha\)-Eisens über. Diese Gitterumwandlung tritt prinzipiell auch in Anwesenheit des Kohlenstoffs auf, jedoch bei anderen Temperaturen!

Mit steigendem Kohlenstoffgehalt wird diese sogenannte \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung zu niedrigeren Temperaturen hin verschoben. Darüber hinaus bewirkt der Kohlenstoff, dass sich diese Gitterumwandlung nicht mehr in einem Haltepunkt bei konstanter Temperatur vollzieht sondern in einem Temperaturbereich. Erst ab einem Kohlenstoffgehalt von 0,8 % bildet sich das \(\alpha\)-Eisen wieder bei konstanter Temperatur sodass die Linienzüge des Beginns und des Endes der \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung im Phasendiagramm zusammenfallen.

Durch die Anwesenheit des Kohlenstoffs wird die  \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung zu niedrigeren Temperaturen hin verschoben!

Im Gegensatz zu den \(\gamma\)-Mischkristallen sind die Elementarzellen des kubisch-raumzentrierten \(\alpha\)-Gitters in der Würfelmitte bereits durch ein Eisenatom besetzt. Die kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur des \(\alpha\)-Eisens vermag deshalb nahezu keinen Kohlenstoff darin zu lösen. Die maximale Löslichkeit beträgt bei 723 °C lediglich 0,02 % und sinkt bei Raumtemperatur sogar auf unter 0,001% (die genaue Löslichkeitsgrenze ist im Diagramm mit einer grünen Line dargestellt). Vereinfachend soll deshalb im Folgenden davon ausgegangen, dass kein Kohlenstoff im \(\alpha\)-Gitter löslich ist.

Das zuvor im Austenit eingelagerte Kohlenstoffatom wird deshalb bei der \(\gamma\)-\(\alpha\)-Gitterumwandlung aus der Gitterstruktur „herausgepresst“. Somit handelt es sich im um ein nahezu kohlenstofffreies \(\alpha\)-Eisengitter. Im Gegensatz zur kohlenstoffhaltigen kubisch-flächenzentrierten \(\gamma\)-Struktur, die mit Austenit bezeichnet wurde, wird die nahezu kohlenstofffreie kubisch-raumzentrierte \(\alpha\)-Gitterstruktur auch Ferrit genannt.

Als Ferrit bezeichnet man die nahezu kohlenstofffreie kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur des \(\alpha\)-Eisens!

Stabiles System

Während der \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung kann sich der nicht mehr im \(\alpha\)-Eisen lösliche Kohlenstoff prinzipiell auf zweierlei Arten aus dem Gitter ausscheiden. Bei langsamer Abkühlung und einem relativ hohen Kohlenstoffgehalt finden die in hinreichender Zahl ausgeschiedenen Kohlenstoffatome genügend Zeit sich in einer eigenen hexagonalen Gitterstruktur zusammen zu lagern. In dieser Gittermodifikation bezeichnet man den Kohlenstoff auch als Graphit.

Eine solche Graphitausscheidung wird nicht nur durch relativ langsame Abkühlgeschwindigkeiten begünstigt sondern kann auch durch Hinzugeben von Silizium gezielt gefördert werden. Die Ausscheidung des Kohlenstoffs in Form von Graphit wird auch als sogenanntes stabiles System bezeichnet, da der Kohlenstoff in dieser Form nicht mehr weiter zerfallen kann und damit im thermodynamischen Sinne stabil ist.

Ein nach dem stabilen System erstarrtes Gefüge besteht grundsätzlich aus Eisen (Fe) und Graphit (C). Dies gilt insbesondere für Gusseisen!

Gusseisen weist in der Regel einen relativ hohen Kohlenstoffgehalt auf (> 2 %) und ist somit ein typischer Vertreter des stabilen Systems. Manche Gusseisensorten erstarren jedoch auch nach dem nachfolgend erläuterten metastabilen System. Dies gilt insbesondere für Stähle.

Metastabiles System

Wird das erstarrte Gefüge nicht mehr relativ langsam sondern schneller abgekühlt und sind nur geringe Mengen an Kohlenstoff vorhanden, so können sich die Kohlenstoffatome nicht mehr zu einer gemeinsamen Graphit-Gitterstruktur anlagern. In diesem Fall verbindet sich der ausscheidende Kohlenstoff mit drei Eisenatomen zu der Eisencarbidverbindung Fe₃C und bildet eine rhomboedrische Gitterstruktur. Diese intermediäre (intermetallische) Eisencarbid-Verbindung wird auch als Zementit bezeichnet.

Als Zementit bezeichnet man die relativ harte aber spröde intermetallische Verbindung bestehend aus drei Eisenatomen und einem Kohlenstoffatom (Fe₃C)!

Wie der Name bereits vermuten lässt, ist Zementit sehr hart und maßgeblich für die Härtesteigerung des Stahls verantwortlich! Die Zementitausscheidung kann nicht nur durch eine schnellere Abkühlung erreicht werden sondern auch gezielt durch Zusätze wie Mangan gefördert werden. Die Ausscheidung des Kohlenstoffs in Form von Zementit wird im thermodynamischen Sinne auch metastabiles System genannt, da die Eisencarbid-Verbindung bei ausreichend hohen Temperaturen und hinreichend langen Glühzeiten durch Diffusionsprozesse in die thermodynamisch stabile Graphitform zerfallen würde.

Im Gegensatz zu Gusseisen weisen Stähle in der Regel einen relativ niedrigen Kohlenstoffgehalt auf (< 2 %) und sind deshalb typische Vertreter des metastabilen Systems.

Ein nach dem metastabilen System erstarrtes Gefüge besteht grundsätzlich aus Eisen (Fe) und Zementit (Fe₃C). Dies gilt insbesondere für Stähle!

Je nach Ausscheidung des Kohlenstoffes in Form Graphit oder Zementit unterscheiden sich die Linienzüge im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm leicht voneinander (mehr hierzu im Kapitel Gusseisen). Da das metastabile System mit seiner Zementitausscheidung vor allem für Stähle besondere Bedeutung hat, wird in den folgenden Kapiteln lediglich auf dieses metastabile System näher eingegangen.