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Eisen-Eisenkarbid-Diagramm

Das Zustandsdiagramm Fe-Fe3C – das metastabile System

Im technisch genutzten Eisen ist immer etwas Kohlenstoff enthalten der die Eigenschaften mit bestimmt. Im metastabilen System liegt der Kohlenstoff in gebundener Form vor. Technisch interessant ist nur der Anfangsbereich dieses Diagramms und es setzt sich aus 3 Grundtypen der Zustandsdiagramme zusammen: Eutektikum, Peritektikum und einer Eutektoiden Umwandlung .

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm stabil und metastabil mit Phasenbeschriftung. Bild: Eisenbeisser aus der deutschsprachigen Wikipedia Lizenz: CreativeCommons by-sa-3.0-de (Kurzfassung).

charakteristische Punkte, Linien und Phänomene im Eisen-Eisenkarbid-Diagramm

Die Punkte sind im metastabilen System wie folgt:

A: (0 %/1536 °C) B: (0,53 %/1492 °C) C: (4,3 %/1147 °C)
D: (6,67 %/1320 °C) E: (2,06 %/1147 °C) F: (6,67 %/1147 °C)
G: (0 %/911 °C) H: (0,1 %/1493 °C) I: (0,16 %/1493 °C)
K: (6,67 %/723 °C) N: (0 %/1392 °C) P: (0,022 %/723 °C)
S: (0,8 %/723 °C) Q: (0,002 %/20 °C) M: (0 %/769 °C)
E‘: (2,03 %/1153°C) C‘: (4,25 %/1153 °C) S‘: (0,69 %/738 °C)

Die Linien werden wie folgt bezeichnet:

Liquiduslinie: A-B-C-D Soliduslinie: A-H-I-E-C-F Eutektikale: E-C-F
Eutektoide: P-S-K Peritektikale: H-I-B

und es treten folgende bestimmte Phänomene auf:

Eutektikum: 4,3 % bei 1147 °C (Punkt C) Eutektoid: 0,8 % bei 723 °C (Punkt S)
Peritektikum: 0,16 % bei 1493 °C (Punkt I)

Mit welchen Buchstaben werden die Umwandlungspunkte gekennzeichnet?
Die Umwandlungspunkte des Eisens werden in einem Abkühlungsdiagramm als Haltepunkte dargestellt und von niederen zur höheren Temperaturen ansteigend mit Ai , i<1 bezeichnet. Die Abkürzung A steht für franz. Arrêt und bedeutet Haltepunkt. Dabei ist die Unterscheidung von Abkühlung, Erwärmung und Gleichgewichtszustand des Eisens bei der Bezeichnung wichtig. So kommt bei Umwandlungspunkten bei der Abkühlung ein tiefgestelltes „r“, bei Erwärmung ein „c“ und bei Umwandlungen im Gleichgewichtsfall ein tiefgestelltes „e“ zur Bezeichnung hinzu.

Wo befindet sich der Kohlenstoff im Kristallgitter?
Die Kohlenstoffatome lagern sich im Gitter zwischen den Eisenatomen ein (Einlagerungsmischkristall). Bei der Verbindung Fe3C umgeben je vier Eisenatome ein Kohlenstoffatom in Form eines Tetraeders.

Welche maximale Löslichkeit weisen die verschiedenen Strukturen des Eisens für Kohlenstoff auf? Wie kann man das plausibel begründen?
Die maximale Löslichkeit von Ferrit beträgt 0,02%  bei einer Temperatur von 723 °C und ist im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm heraus zu lesen. Somit liegt Ferrit bei Raumtemperatur fast als reines Eisen vor, da kaum Platz für die Einlagerung eines Kohlenstoffatoms vorhanden ist.

Austenit hat eine maximale Löslichkeit von 2,06% bei einer Temperatur von 1147 °C. Mit sinkender Temperatur sinkt auch die Löslichkeit von Kohlenstoff im Austenit. Dies ist durch eine Gitterumwandlung von kubisch –flächenzentriert zu kubisch- raumzentriert begründet, da die Fähigkeit C-Atome einzulagern somit abnimmt (weniger Platz im Gitter).
Zementit besteht immer zu 6,67 % aus Kohlenstoff.

Warum wird das Zustandsdiagramm Fe-Fe3C als metastabilen System bezeichnet?
Das Zustandsdiagramm Fe-Fe3C wird als metastabil bezeichnet, weil sich die Legierungen beim Glühen stets in die Richtung des thermodynamischen Gleichgewichts verändern. In diesem System kommt der Kohlenstoff in „gebundener“ Form (Fe3C) vor.

Durch welche Komponenten ist das System gekennzeichnet?
Das System ist durch die zwei Komponenten Fe (Eisen) und Fe3C gekennzeichnet. Der Kohlenstoff kann dabei entweder gelöst in Mischkristallen oder gebunden als Fe3C vorliegen.

Welche Phasen werden im Zustandsdiagramm Fe-Fe3C beobachtet?
Im Zustandsdiagramm Fe-Fe3C werden die Phasen α-Fe (Ferrit), γ-Fe (Austenit), δ-Fe und Fe3C beobachtet.

Wie werden die charakteristischen Gefüge bezeichnet und aus welchen Phasen bestehen sie?
Von den Phasen sind folgende Gefügebestandteile zu unterscheiden: Perlit, Ledeburit I und II.

Der Perlit, ein eutektoides Gemenge, besteht aus den Phasen Ferrit (88%) und Zementit (12%). Aus 52,4% Austenit und 48,6% Zementit setzt sich der Ledeburit I zusammen und Ledeburit II besteht zu ca. 51,4% aus Perlit und 48,6% aus Zementit.

Der Zementit kann in drei Formen, primär, sekundär und tertiär, vorkommen. Der Primärzementit entsteht aus der Schmelze wenn die Legierung den CD-Abschnitt der Liquiduskurve unterschreitet. Der Sekundärzementit scheidet sich unterhalb der ES-Umwandlungskurve und aus dem Primärkristall Austenit aus. Der Tertiärzementit scheidet sich unterhalb der PQ-Kurve und aus dem Sekundärzementit Ferrit aus.

Bis zu welchen Kohlenstoffkonzentrationen spricht man von untereutektoidischen, übereutektoidischen, untereutektischen und übereutektischen Legierungen?
Man spricht von untereutektoiden Legierungen bei einem C-Gehalt bis ca. 0,8%. Bei einem C-Gehalt von über 0,8% bis 2,06% spricht man von übereutektoiden Legierungen. Eine untereutektische Legierung liegt bei C-Gehalten von über 2,06% bis einschließlich 4,3% vor. Alle Eisen-Kohlenstoff-Legierungen von einem C-Gehalt über 4,3% bis 6,67% sind übereutektische Legierungen.