Zusammenfassung der Phasenumwandlungen

Wie die erläuterten Vorgänge zeigen, sind die Gefügeänderungen die ein Stahl während der Abkühlung erfährt relativ komplex. Deshalb soll zusammenfassend nochmals einen kurzen Überblick über die Gefügeumwandlungen während der Abkühlung eines Stahles gegeben werden.

Gefüge-Bildung, Gefüge-Entstehung, Stahl, Eisen, Kohlenstoff, Schmelze, Austenit, Ferrit, Korngrenzen-Zementit, Perlit, eutektoider, perlitischer, untereutektoider, unterperlitischer, übereutektoider, überperlitischer

Abbildung: Überblick über die Gefügebildung von Stählen

Der eigentliche Erstarrungsprozess vollzieht sich bei Stählen unabhängig des Kohlenstoffgehalts wie bei einer Mischkristalllegierung (typisch linsenförmiger Bereich zwischen Liquidus- und Soliduslinie). Der Kohlenstoff ist während der Erstarrung bzw. unmittelbar danach zunächst vollständig im kubisch-flächenzentrierten \(\gamma\)-Eisengitter löslich. Diese Mischkristallverbindung von Eisen und eingelagertem Kohlenstoff in der Würfelmitte der Elementarzelle wird als Austenit bezeichnet.

Im erstarrten Zustand zeigt das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm im unteren Bereich das typisch liegende "K" einer Kristallgemischlegierung, bei der die jeweiligen Komponenten ineinander unlöslich sind (Beachte, dass der Kohlenstoff im Eisengitter bei Raumtemperatur ja tatsächlich nahezu unlöslich ist). Die Phasenumwandlungen, die der Stahl dabei im Weiteren erfährt lassen sich deshalb in Analogie zu einer Kristallgemischlegierung betrachten. Die Phasenumwandlungen finden dabei allerdings im bereits erstarrten Zustand statt.

Bei übereutektoiden Stählen mit einem Kohlenstoffgehalten größer als 0,8 % scheidet sich bei Unterschreiten der Löslichkeitsgrenze der Kohlenstoff in Form von Zementit an den Korngrenzen aus (Korngrenzenzementit). Dies führt folglich zu einer Verarmung an Kohlenstoff im verbleibenden Restaustenit. Die Verarmung schreitet schließlich solange voran, bis bei 723 °C der Restaustenit die eutektoide Zusammensetzung von 0,8 % Kohlenstoff erreicht hat. Nun beginnt sich bei konstanter Temperatur von 723 °C der kubisch-flächenzentrierte Restaustenit vollständig in die kubisch-raumzentrierte Ferritstruktur umzuwandeln. Da der Kohlenstoff im sich bildenden Ferritgitter nicht mehr gelöst werden kann, wird dieser in Form von Zementitlamellen direkt aus dem Gitter ausgeschieden. Dieses eutektoide Phasengemisch aus Ferritkörnern mit den darin eingelagerten Zementitlamellen wird auch als Perlit bezeichnet. Das Gefüge eines übereutektoiden Stahls besteht bei Raumtemperatur somit aus dem zuvor ausgeschiedenen Korngrenzenzementit und dem sich gebildeten Perlit.

Bei untereutektoiden Stählen mit einem Kohlenstoffgehalten kleiner als 0,8 % scheidet sich bei Unterschreiten der Umwandlungslinie Ferrit aus dem Austenitgitter aus, da sich die kubisch-flächenzentrierte Austenitstruktur beginnt in die kubisch-raumzentrierte Ferritstruktur umzuwandeln. Der Kohlenstoff der im gebildeten Ferritgitter nicht mehr gelöst werden kann, diffundiert in das umliegende und Austenitgitter ein, da dieser noch Kohlenstoff aufnehmen kann (untersättigter Zustand). Dies führt folglich zu einer Anreicherung an Kohlenstoff im verbleibenden Restaustenit. Die Anreicherung schreitet schließlich solange voran, bis bei 723 °C der Restaustenit die eutektoide Zusammensetzung von 0,8 % Kohlenstoff erreicht hat. Nun beginnt sich aus dem Restaustenit wiederum das Perlit zu bilden (die Vorgänge bei der Perlitbildung sind unabhängig des Stahls grundsätzlich immer identisch). Das Gefüge eines untereutektoiden Stahls besteht bei Raumtemperatur somit aus den zuvor ausgeschiedenen Ferritkörner und dem sich gebildeten Perlit.

Bei einem eutektoiden Stahl mit exakt 0,8 % Kohlenstoff besitzt der Austenit von vorne herein die eutektoide Zusammensetzung. Somit kann sich das Perlit ohne Ausscheidungsprozesse direkt aus dem Austenit bilden. Das Gefüge eines eutektoiden Stahls besteht deshalb bei Raumtemperatur lediglich aus Perlitkörnern.

Beachte, dass sich das Gefüge des Stahls unabhängig davon, ob es sich um einen unter- oder überperlitischen Stahl handelt, grundsätzlich immer aus den beiden Phasen Ferrit und Zementit zusammensetzt. Dies ist ja gerade das Merkmal des metastabilen Systems.

Für viele Anwendungen ist es wichtig, genau zu wissen aus welchen Gefüge- bzw. Phasenanteilen sich ein Stahl bei einer bestimmten Kohlenstoffkonzentration zusammensetzt. Dies macht letztlich eine Berechnung notwendig. Um diese Durchführen zu können, muss allerdings das gesamte Eisen-Kohlenstoff-Diagramm betrachtet werden. Deshalb wird im Folgenden kurz auf das vollständige Phasendiagramm des metastabilen Systems eingegangen, bevor abschließend die Berechnung der Gefüge- bzw. Phasenanteile erläutert wird.