Abkühlkurve 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!

Abkühlkurve, Abkühlungskurve, Rein-Eisen, Weicheisen, Gitterumwandlung, Haltepunkt, Allotropie, Polymorphie

Abbildung: Abkühlkurve von Weicheisen

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 → 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 einer Temperatur von 769 °C 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.

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

Gefüge-Bild, Schliffbild, Weich-Eisen, Reineisen, Körner, Korngrenzen

Abbildung: Gefügebild von Weicheisen

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