Stabiles und metastabiles System

Reines Eisen ändert bei Unterschreiten der Temperatur von 911 °C seine kubisch-flächenzentrierte \(\gamma\)-Eisen-Struktur und geht in die kubisch-raumzentrierte Gittermodifikation des \(\alpha\)-Eisens über. Diese Gitterumwandlung tritt prinzipiell auch in Anwesenheit des Kohlenstoffs auf, jedoch bei anderen Temperaturen! Mit steigendem Kohlenstoffgehalt wird diese sogenannte \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung zu niedrigeren Temperaturen hin verschoben. Darüber hinaus bewirkt der Kohlenstoff, dass sich diese Gitterumwandlung nicht mehr in einem Haltepunkt bei konstanter Temperatur vollzieht sondern in einem Temperaturbereich. Erst ab einem Kohlenstoffgehalt von 0,8 % bildet sich das \(\alpha\)-Eisen wieder bei konstanter Temperatur sodass die Linienzüge des Beginns und des Endes der \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung im Phasendiagramm zusammenfallen.

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, Stahlecke, Abkühlkurve, Gefügeumwandlung, Allotropie, Polymorphie, a-g-Umwandlung, Austenit, Ferrit, g-Eisen, a-Eisen

Abbildung: Austenitzerfall

Im Gegensatz zu den \(\gamma\)-Mischkristallen sind die Elementarzellen des kubisch-raumzentrierten \(\alpha\)-Gitters in der Würfelmitte bereits durch ein Eisenatom besetzt. Die kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur des \(\alpha\)-Eisens vermag deshalb nahezu keinen Kohlenstoff darin zu lösen. Die maximale Löslichkeit beträgt bei 723 °C lediglich 0,02 % und sinkt bei Raumtemperatur sogar auf unter 0,001% (die genaue Löslichkeitsgrenze ist im Diagramm mit einer grünen Line dargestellt). Vereinfachend soll deshalb im Folgenden davon ausgegangen, dass kein Kohlenstoff im \(\alpha\)-Gitter löslich ist. Das zuvor im Austenit eingelagerte Kohlenstoffatom wird deshalb bei der \(\gamma\)-\(\alpha\)-Gitterumwandlung aus der Gitterstruktur "herausgepresst". Somit handelt es sich im um ein nahezu kohlenstofffreies \(\alpha\)-Eisengitter. Im Gegensatz zur kohlenstoffhaltigen kubisch-flächenzentrierten \(\gamma\)-Struktur, die mit Austenit bezeichnet wurde, wird die nahezu kohlenstofffreie kubisch-raumzentrierte \(\alpha\)-Gitterstruktur auch Ferrit genannt [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung].

Austenit-Zerfall, g-a-Umwandlung, Ferrit, Kohlenstoff, kubisch-flächenzentriert, kubisch-raumzentriert, Ausscheidung

Abbildung: Austenitzerfall

Während der \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung kann sich der nicht mehr im \(\alpha\)-Eisen lösliche Kohlenstoff prinzipiell auf zweierlei Arten aus dem Gitter ausscheiden. Bei langsamer Abkühlung und einem relativ hohen Kohlenstoffgehalt finden die in hinreichender Zahl ausgeschiedenen Kohlenstoffatome genügend Zeit sich in einer eigenen hexagonalen Gitterstruktur zusammen zu lagern. In dieser Gittermodifikation bezeichnet man den Kohlenstoff auch als Graphit. Eine solche Graphitausscheidung wird nicht nur durch relativ langsame Abkühlgeschwindigkeiten begünstigt sondern kann auch durch Hinzugeben von Silizium gezielt gefördert werden. Die Ausscheidung des Kohlenstoffs in Form von Graphit wird auch als sogenanntes stabiles System bezeichnet, da der Kohlenstoff in dieser Form nicht mehr weiter zerfallen kann und damit im thermodynamischen Sinne stabil ist.

  • Ein nach dem stabilen System erstarrtes Gefüge besteht grundsätzlich aus Eisen (Fe) und Graphit (C).

Gusseisen weist in der Regel einen relativ hohen Kohlenstoffgehalt auf (> 2 %) und ist somit ein typischer Vertreter des stabilen Systems. Manche Gusseisensorten erstarren jedoch auch nach dem nachfolgend erläuterten metastabilen System. Dies gilt insbesondere für Stähle.

Stabiles, metastabiles, System, Zementit, Fe3C, Kohlenstoff, C, intermediäre, intermetallische Phase

Abbildung: Kohlenstoffausscheidung

Wird das erstarrte Gefüge nicht mehr relativ langsam sondern schneller abgekühlt und sind nur geringe Mengen an Kohlenstoff vorhanden, so können sich die Kohlenstoffatome nicht mehr zu einer gemeinsamen Graphit-Gitterstruktur anlagern. In diesem Fall verbindet sich der ausscheidende Kohlenstoff mit drei Eisenatomen zu der Eisencarbidverbindung Fe3C und bildet eine rhomboedrische Gitterstruktur. Diese intermediäre (intermetallische) Eisencarbid-Verbindung wird auch als Zementit bezeichnet.

Wie der Name bereits vermuten lässt, ist Zementit sehr hart und maßgeblich für die Härtesteigerung des Stahls verantwortlich! Die Zementitausscheidung kann nicht nur durch eine schnellere Abkühlung erreicht werden sondern auch gezielt durch Zusätze wie Mangan gefördert werden. Die Ausscheidung des Kohlenstoffs in Form von Zementit wird im thermodynamischen Sinne auch metastabiles System genannt, da die Eisencarbid-Verbindung bei ausreichend hohen Temperaturen und hinreichend langen Glühzeiten durch Diffusionsprozesse in die thermodynamisch stabile Graphitform zerfallen würde.

  • Ein nach dem metastabilen System erstarrtes Gefüge besteht grundsätzlich aus Eisen (Fe) und Zementit (Fe3C).

Im Gegensatz zu Gusseisen weisen Stähle in der Regel einen relativ niedrigen Kohlenstoffgehalt auf (< 2 %) und sind deshalb typische Vertreter des metastabilen Systems.

Je nach Ausscheidung des Kohlenstoffes in Form Graphit oder Zementit unterscheiden sich die Linienzüge im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm leicht voneinander (mehr hierzu im Kapitel Gusseisen). Da das metastabile System mit seiner Zementitausscheidung vor allem für Stähle besondere Bedeutung hat, wird im Folgenden lediglich auf dieses metastabile System näher eingegangen.