Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm: Definition, Phasen und Anwendungen

Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm ist in der Materialwissenschaft äußerst wichtig. Es zeigt, wie unterschiedliche Temperaturen und Kohlenstoffmengen die Phasen von Eisen und seinen Legierungen verändern. Wenn Ingenieure dieses Diagramm erhalten, können sie Stahl noch besser machen, was in vielen Bereichen hilfreich ist – etwa beim Bau von Materialien oder beim Fliegen von Flugzeugen.

Abb. 1: Fe-C Phasendiagramm

Was ist das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm?

Dieses Diagramm hilft uns zu verstehen, wie Temperatur und Kohlenstoffgehalt mit Eisen und seinen Legierungen interagieren. Es ist in der Metallurgie sehr hilfreich, da es vorhersagen kann, welche Art von Mikrostruktur in Stahl oder Gusseisen entsteht.

Was ist die härteste Phase im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm?

Martensit ist die härteste Phase im Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm. Dieser harte Kerl entsteht, wenn Austenit sehr schnell abkühlt. Wenn es schnell abkühlt, kann Kohlenstoff nicht aus der Eisenstruktur entweichen. Sie erhalten also eine feste Lösung, die superhart und stark ist.

Warum reicht das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm nur bis 6.7 % Kohlenstoff?

Es gibt eine Grenze für die Menge an Kohlenstoff, die im Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm enthalten sein darf – höchstens 6.67 %. Das liegt daran, dass bei diesem Anteil Zementit (Fe₃C) entsteht. Bei mehr Kohlenstoff als dieser Menge werden die Materialien spröde und eignen sich nicht mehr für technische Zwecke.

Phasen, Phasengrenzen, eutektischer Punkt

Phasen

Homogener und eigenständiger Teil des Systems. Er hat andere Eigenschaften als die anderen Teile des Systems.

Phasengrenzen

Die Bereiche, in denen eine Phasenumwandlung stattfindet, werden als Phasengrenzen bezeichnet. Häufige Grenzen, die wir erwähnen müssen, sind die A1-Linie, die A3-Linie und die ACM-Linie

Eutektischer Punkt

Dieser Punkt befindet sich im Fe-C-Diagramm und markiert die Umwandlung der flüssigen Phase in zwei feste Phasen. Diese Umwandlung erfolgt bei 1147 °C mit 4.3 % C.

Warum Phasendiagramme für das Legierungsdesign so wichtig sind

Diese Diagramme sind in Ihrer täglichen Anwendung von großer Bedeutung und helfen Ihnen bei der Bestimmung der genauen Zusammensetzung, Eigenschaften und mikrostrukturellen Änderungen, die für Ihre Anwendung erforderlich sind.

Kristallstrukturen in Eisen

Im Folgenden sind die wichtigsten Kristallstrukturen aufgeführt, die im Fe-C-Phasendiagramm zu finden sind:

α-Ferrit

Sie finden eine BCC-Struktur in Alpha-Eisen mit einem maximalen Kohlenstoffgehalt von bis zu 0.02 %. Wenn Sie in Ihrer Anwendung außerdem gute magnetische Eigenschaften benötigen, dann spielt diese Phase in dieser Hinsicht eine Schlüsselrolle.

γ-Austenit

In dieser Phase finden Sie eine FCC-Struktur mit einem maximalen Kohlenstoffgehalt von bis zu 2.14 %. Wenn Ihre Anwendung außerdem eine Änderung der Festigkeitseigenschaften erfordert, ist diese Phase für die Durchführung mehrerer Wärmebehandlungsprozesse wichtig.

δ-Ferrit

Diese Phase findet man bei erhöhten Temperaturen, also bei etwa 1390 °C, und besteht aus einer BCC-Struktur. Diese Phase ist für Anwendungen geeignet, die Stabilität bei hohen Temperaturen erfordern.

Zementit (Fe₃C)

Dies ist die härteste Phase in diesem Phasendiagramm mit einem maximalen C-Gehalt von bis zu 6.67 %. Darüber hinaus ist sie für Sie bei Anwendungen von Vorteil, die hochfesten Stahl erfordern.

Flüssige Phase (Fe-C-Lösung)

Diese Phase hilft dem Hersteller bei der Durchführung von Gießprozessen und Sie finden diese Phase bei erhöhter Temperatur von etwa 1530 °C.

Was sind die fünf festen Phasen in einem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm?

Im Folgenden sind die fünf Phasen aufgeführt, die Sie in diesem Phasendiagramm finden:

• Ferrit
• Austenit
• Zementit
• Delta-Ferrit
• Perlit

Merkmale der einzelnen Phasen

Die folgende Tabelle liefert Ihnen die wichtigen Merkmale der einzelnen Phasen:

Tabelle 1: Phaseneigenschaften

Temperaturbereiche und Stabilität jeder Phase

Nachfolgend sind die wichtigen Phasen mit ihrem Temperatur- und Stabilitätsbereich aufgeführt:

α-Ferrit : Diese Phase existiert von Raumtemperatur bis nahezu 910°C und ihren stabilen Zustand kann man unterhalb von 727°C bei niedrigen C-Werten beobachten.

γ-Austenit : Diese Phase existiert im Temperaturbereich von 727 bis nahezu 1147°C und ist oberhalb von 727°C bei hohen C-Werten stabil.

Zementit : Bei dieser Phase liegt der Temperaturbereich unter 1147°C und sie ist mit einem hohen C-Gehalt in ihrer Zusammensetzung sicherlich stabil.

δ-Ferrit : Die Bildung dieser Phase findet im Temperaturbereich von 1390-1538°C statt, und sie weist eine erhöhte Stabilität bei höheren Temperaturen auf.

Perlit : Sie werden die Stabilität dieser Phase in eutektoider Zusammensetzung beobachten. Darüber hinaus erfolgt ihre Bildung bei 723 °C.

Wichtige Reaktionen im Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm

Es finden die folgenden Reaktionen statt, die im Folgenden aufgeführt sind:

Eutektoide Reaktion

Nachfolgend sehen Sie die eutektoide Reaktion, die die Umwandlung einer festen Phase in zwei weitere feste Phasen bezeichnet.

Eutektische Reaktion

Nachfolgend ist die eutektische Reaktion dargestellt, die die Umwandlung der flüssigen Phase in zwei weitere feste Phasen bedeutet.

Peritektische Reaktion

Bei einer erhöhten Temperatur von etwa 1498°C können Sie die folgende Reaktion beobachten , die durch die Reaktion einer festen und einer flüssigen Phase entsteht und zur Bildung von Austenit führt.

Phasengrenzen und kritische Punkte

Nachfolgend finden Sie eine kurze Beschreibung der Phasengrenze und wichtiger kritischer Punkte:

Die eutektischen und eutektoiden Punkte verstehen

Eutektischer Punkt:

• Tritt bei 4.3 % C und einer Temperatur von 1147 °C auf.
• Umwandlung von Flüssigkeit in γ und Fe₃
• Wichtig in der Gusseisenproduktion.

Eutektoider Punkt :

• Tritt bei 0.76 % C und einer Temperatur von 727 °C auf.
• Umwandlung von γ in α und Fe₃
• Bietet Perlit, das für eine Mischung aus Festigkeit und Zähigkeit verantwortlich ist.

Kritische Temperaturen in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen

Tabelle 2: Kritische Temperaturen

Hebelregel und Zusammensetzungsanalyse an Grenzen

Ein Tool für mathematische Berechnungen, das Ihnen die Phasenanteile (Massenanteile) innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs sowie die Zusammensetzung angibt.

Phasenfelder und Stabilitätsbereiche

Die folgenden Details geben Ihnen eine kurze Analyse der Phasenfelder und des Stabilitätsbereichs:

Interpretation von Stabilitätsbereichen für α-, γ- und δ-Phasen

Bei α-Ferrit besteht die Phase von Raumtemperatur bis nahezu 910 °C, und ihr stabiler Zustand ist bei niedrigen Temperaturen unter 727 °C zu beobachten. Darüber hinaus besteht die γ-Austenit-Phase von 727 bis nahezu 1147 °C, und ihr stabiler Zustand ist bei hohen Temperaturen über 727 °C zu beobachten. Schließlich bildet sich zwischen 1390 und 1538 °C eine δ-Phase, die bei erhöhten Temperaturen eine günstige Stabilität aufweist.

Auswirkungen auf die Wärmebehandlung von Stahl

Wenn Sie den Stabilitätsbereich wirklich verstehen, können Sie die Wärmebehandlung optimieren. Er ist daher entscheidend für die Steuerung der Phasenumwandlung, die Entwicklung der Mikrostruktur und die Langlebigkeit des Materials.

Klassifizierung von Stählen nach Kohlenstoffgehalt

Die wichtigsten Stahlklassifizierungen sind nachstehend aufgeführt:

Untereutektoide und übereutektoide Stähle

Der untereutektoide Stahl bietet Ihnen eine gute Duktilität und Zähigkeit für Ihre Anwendungen und hat einen C-Gehalt von weniger als 0.76 %. Übereutektoider Stahl hingegen bietet Ihnen eine gute Härte bei kompensierender Duktilität und hat einen C-Gehalt von mehr als 0.76 %.

Rolle bei der Wärmebehandlung und Legierungsanpassung

Dieses Phasendiagramm bietet Ihnen zahlreiche Erkenntnisse, insbesondere hinsichtlich der Wärmebehandlung und der individuellen Anpassung der Legierung.

Vorhersage mechanischer Eigenschaften durch Phasenanalyse

Wichtige Funktionen, die Ihnen bei der Vorhersage mechanischer Eigenschaften durch Phasenanalyse helfen, sind:

• Kontrolle mikrostruktureller Veränderungen
• Gutes Verständnis kritischer Temperaturen
• Anpassung der Legierungseigenschaften

Arten von Stahlanwendungen

Tabelle 2: Stahlsorten und Anwendungen

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