Einfluss des Kohlenstoffs auf die Härte und Festigkeit

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 sozusagen 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 außen 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.