Untereutektoide Phasenumwandlung

Im Folgenden wird die Abkühlung eines untereutektoiden Stahls betrachtet werden. Ein Stahl wird dann als untereutektoid bezeichnet, wenn dieser einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,8 % aufweist. Exemplarisch sollen die Gefügeumwandlungen an einem untereutektoiden Stahl mit 0,4 % Kohlenstoff näher erläutert werden. Zunächst erstarrt auch der untereutektoide Stahl wieder wie jeder andere Stahl als reines Mischkristallgefüge. Der Kohlenstoff ist im Austenitgefüge zunächst vollständig löslich.

Grundsätzlich besitzt ein untereutektoider Stahl zu wenig Kohlenstoff, um die maximale Löslichkeitsgrenze des Kohlenstoffs im Austenitgitter zu überschreiten. Bei der geringstmöglichen Temperatur von 723 °C - oberhalb deren Austenit überhaupt erst existiert - beträgt die (Mindest)Löslichkeit für den Kohlenstoff im Austenit bereits 0,8 %. Die Kohlenstofflöslichkeit liegt somit stets höher als der Kohlenstoffgehalt von untereutektoiden Stählen. Dies zeigt sich bereits beim Eintragen der Legierungslinie eines beliebigen untereutektoiden Stahls in das Phasendiagramm. Alle untereutektoiden Stähle werden im Prinzip nie an die Löslichkeitsgrenze stoßen oder diese gar unterschreiten können. Der gesamte Kohlenstoff bleibt also bei untereutektoiden Stählen stets im Austenitgitter löslich. Das Austenitgefüge befindet sich im Allgemeinen permanent in einem untersättigen Zustand, da mehr Kohlenstoff darin gelöst werden könnte als überhaupt im Stahlgefüge enthalten ist!

Die Gefügeumwandlung eines untereutektoiden Stahls wird also nicht durch die Löslichkeitsgrenze wie bei übereutektoiden Stählen bestimmt sondern vielmehr durch die einsetzende Gitterumwandlung des \(\gamma\)-\(\alpha\)-Zerfalls. So bewirkt der Kohlenstoff im Eisen zwar eine Verschiebung der \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung hin zu niedrigeren Temperaturen im Vergleich zu reinem Eisen, aber dennoch wird sie ab einer bestimmten Temperatur einsetzen. Das Einsetzen der Gitterumwandlung kann an der roten Umwandlungslinie im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm abgelesen werden, an die letztlich jeder untereutektoide Stahl im Laufe seiner Abkühlung stößt.

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Abbildung: Gefügeentstehung eines untereutektoiden Stahls

Bei einem untereutektoiden Stahl von 0,4 % Kohlenstoff setzt die Gitterumwandlung vom kubisch-flächenzentrierten Austenitgitter in die kubisch-raumzentrierten Ferritstruktur bei rund 800 °C ein (statt wie bei Reineisen bei 911 °C). Dabei beginnt sich das kubisch-flächenzentrierte Gitter vorzugsweise an den energetisch günstigen Korngrenzen in die kubisch-raumzentrierte Struktur umzuwandeln. Diese Gitterumwandlung breitet sich bei weiterer Abkühlung auf die umliegende Austenitstruktur aus. Dieser Gitterumwandlungsprozess vollzieht sich nicht mehr in einem Haltepunkt wie bei reinem Eisen sondern in einem Knickpunkt. Diese Gitterumwandlung umfasst im Diagramm somit wieder ein Zweiphasengebiet, in dem das Gefüge zu Teilen aus dem bereits umgewandelten Ferrit und dem restlichen Austenit besteht.

  • Bei untereutektoiden Stählen wandeln sich bei Abkühlung zunächst Teile des Austenits in das für den Kohlenstoff unlösliche Ferrit um!

Da der Kohlenstoff im bereits umgewandelten \(\alpha\)-Eisen nicht mehr gelöst werden kann, wird dieser aus der kubisch-raumzentrierten Ferritstruktur verdrängt. Die umliegende Austenitstruktur ist aufgrund des untersättigten Zustandes allerdings noch in der Lage diesen verdrängten Kohlenstoff aufzunehmen. So kann der Austenit zu Beginn der Gitterumwandlung bei knapp 800 °C bis ca. 1,0 % Kohlenstoff aufnehmen; der betrachtete Stahl besitzt allerdings gerade einmal einen Kohlenstoffgehalt von 0,4 %. Im Austenit findet sich also noch genügend Raum, um die verdrängten Kohlenstoffatome aufnehmen zu können. Deshalb diffundiert der aus dem Ferritgitter ausgeschiedene Kohlenstoff in den angrenzenden Restaustenit. Der Kohlenstoff lagert sich also nicht wie bei übereutektoiden Stählen in Form von Zementit an den Korngrenzen ab sondern wird vom umliegenden Austenit aufgenommen!

Bei weiterer Abkühlung wachsen die Ferritkörner, sodass mehr und mehr Kohlenstoff in die umliegenden Austenitkörner eindiffundiert. Dies führt im Austenit zu einer entsprechenden Anreicherung des Kohlenstoffgehaltes. Die jeweiligen Konzentrationen können - wie in Zweiphasengebieten üblich - nach Anfahren der Phasengrenze und anschließendes Fällen des Lotes auf die Konzentrationsachse ermittelt werden. Bei 750 °C hat sich bspw. der Kohlenstoffgehalt im Austenit auf ca. 0,6 % angereichert, während die Kohlenstoffkonzentration im Ferrit aufgrund der vernachlässigten Löslichkeit natürlich 0 % beträgt.

Bei weiterer Abkühlung und somit voranschreitender Ferritbildung reichert sich der Kohlenstoffgehalt im Restaustenit immer mehr an. Bei 723 °C ist der Kohlenstoffgehalt schließlich auf 0,8 % gestiegen. Der Restaustenit hat nun die eutektoide Zusammensetzung erreicht und ist vollständig gesättigt, d.h. dieser kann keinen weiteren Kohlenstoff mehr aufnehmen. Der Restaustenit verhält sich nun wie ein eutektoider Stahl und beginnt sich schließlich bei konstanter Temperatur zum Eutektoid Perlit zu wandeln. Somit vollzieht jetzt auch der restliche Austenit die Gitterumwandlung hin zur kohlenstoffunlöslichen kubisch-raumzentrierten Ferritstruktur. Der ehemals im Austenitgitter gelöste Kohlenstoff bildet dabei die Eisencarbidverbindung Zementit, welches sich bei der Gitterumwandlung lamellenförmig aus dem Restaustenit ausscheidet.

  • Durch die Ausscheidung des Ferrits aus dem Austenit reichert sich dieser mit Kohlenstoff an, bis bei 723 °C die eutektoide Zusammensetzung erreicht ist und sich der Restaustenit zu Perlit wandelt. 

Beachte, dass die \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung unabhängig der tatsächlichen Kohlenstoffkonzentration des Stahls immer bei 723 °C abgeschlossen ist, da der Restaustenit bei dieser Temperatur stets die eutektoide Zusammensetzung von 0,8 % Kohlenstoff erreicht hat. Dies gilt letztlich nicht nur für untereutektoide Stähle sondern auch für übereutektoide Stähle! Während sich für untereutektoide Stähle die Kohlenstoffkonzentration im Restaustenit durch die Ferritausscheidung bis auf 0,8% Kohlenstoff anreichert, so verringert sich für übereutektoide Stähle die Kohlenstoffkonzentration im Restaustenit durch die Zementitausscheidung an den Korngrenzen bis dort ebenfalls 0,8 % Kohlenstoff erreicht sind. In beiden Fällen ist diese eutektoide Zusammensetzung des Restaustenits bei einer Temperatur von 723 °C erreicht und der Restaustenit zerfällt im Folgenden bei dieser konstanten Temperatur immer zu Perlit. 

  • Untereutektoide Stähle weisen bei Raumtemperatur ein perlitisches Grundgefüge (Ferritkörner mit eingelagerten Zementitlamellen) mit den zuvor gebildeten Ferritkörnern auf!

Das abgebildete Gefügebild zeigt einen untereutektoiden Stahl mit 0,45 % Kohlenstoff (Vergütungsstahl C45). Zu sehen sind die Ferritkörner (weiß) und Perlitkörner (dunkel gestreift). Im Vergleich hierzu ist ein Gefügebild eines untereutektoiden Stahls mit einem höheren Kohlenstoffgehalt von 0,60 % (Vergütungsstahl C60) gezeigt. Der C60 weist aufgrund der höheren Kohlenstoffkonzentration auch einen deutlich höheren Perlitanteil im Gefüge auf.

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Abbildung: Gefügebild von untereutektoidem Stahl (C45)

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Abbildung: Gefügebild von untereutektoidem Stahl (C60)