Übereutektoide Phasenumwandlung

Wie im eingehenden Kapitel beschrieben liegt unmittelbar nach der Erstarrung eines Stahls ein reines Mischkristallgefüge vor. 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 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 des Kohlenstoffs im Austenitgitter ist 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 [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung].

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Abbildung: Schematische Darstellung der Löslichkeit

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.

Aufgrund der begrenzen Löslichkeit ergeben sich beim Abkühlvorgang von übereutektoiden Stählen Gefügeänderungen sobald die Löslichkeitsgrenze unterschritten wird, da der Stahl dann offensichtlich mehr Kohlenstoff enthält als das Gitter eigentlich lösen kann (als übereutektoid bezeichnet man einen Stahl der einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,8 % aufweist). 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.

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Abbildung: Gefügeentstehung eines übereutektoiden Stahls 

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 Unterschreiten 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 Unterschreiten 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 Unterschreiten der Löslichkeitsgrenze hingegen bleibt die Austenitgitterstruktur erhalten, d.h. es findet keine Gitterumwandlung statt. Die Mechanismen der Zementitausscheidung bei der Perlitbildung und bei Unterschreiten der Löslichkeitsgrenze sind deshalb unterschiedlich!

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

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 Unterschreiten der Löslichkeitsgrenze eine Verlangsamung der Abkühlgeschwindigkeit ein. In der entsprechenden Abkühlkurve macht sich diesem in einem Knickpunkt bemerkbar.

Bei Unterschreiten 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 Unterschreiten 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.

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Abbildung: Gefügebild von übereutektoidem Stahl (C100) 

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.