Eutektoide Phasenumwandlung

Wie im Kapitel zuvor erläutert, nimmt der Kohlenstoff Einfluss auf die Temperatur der \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung. Mit steigender Kohlenstoffkonzentration sinkt der Umwandlungsbeginn ausgehend von 911 °C bei Reineisen hin zu immer niedrigeren Temperaturen und verharrt ab einer Kohlenstoffkonzentration von 0,8 % schließlich konstant auf einem Wert von 723 °C.

Die Vorgänge im Gefüge während der \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung werden im Folgenden anhand eines sogenannten eutektoiden Stahles C80 mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,8 % näher erläutert. Nachdem der Stahl in einem Temperaturbereich (Knickpunkt) erstarrt ist und sich somit das Mischkristallgefüge Austenit gebildet hat, unterliegt der Stahl bei einer Temperatur von 723 °C schließlich der \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung.

Gefügeentstehung, Gefügebildung, eutektoider, Stahl, Phasendiagramm, Abkühlungskurve, Abkühlkurve, perlitischer, Perlitbildung, Zementit-Lamellen, Ferrit

 Abbildung: Gefügeentstehung eines eutektoiden Stahls 

Nun beginnt sich die kubisch-flächenzentrierte Gitterstruktur des Austenits bei konstanter Temperatur (Haltepunkt) in die kubisch-raumzentrierte Ferritstruktur umzuwandeln. Da im Ferritgitter die Würfelmitte bereits durch ein Eisenatom besetzt ist, kann der Kohlenstoff darin nicht mehr gelöst werden. Der Kohlenstoff wird bei dieser Gitterumwandlung in der metastabilen Form Eisencarbid (Fe3C) ausgeschieden. Aufgrund der relativ niedrigen Temperatur von 723 °C sind die ausgeschiedenen Atome träge und können keine großen Wege zurücklegen. Sie scheiden sich deshalb direkt aus dem Gitter aus und lagern sich in einer lamellenförmigen Struktur aneinander. Hat sich schließlich das Austenitgitter vollständig in das Ferritgitter umgewandelt, so ist der Kohlenstoff (fast) vollständig aus dem Eisengitter ausgeschieden. Aus den ehemaligen Austenitkörnern sind nun Ferritkörner mit eingelagerten Zementitlamellen geworden. Dieses lamellenförmige Phasengemisch aus Ferrit und Zementit wird aufgrund seines perlmuttartigen Glanzes unter dem Mikroskop auch als Perlit bezeichnet.

Beachte, dass sich während der \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung in der Regel die äußere Form der Körner ebenfalls ändert! Während Austenit eher polyedrisch und damit eine eckige Kornstruktur aufweist, sind die Perlitkörner eher rundlich. Ursache für die polyedrische Form des Austenits ist die verstärkte Bildung von sogenannten Zwillingskorngrenzen. Die Wandlung der Kornform während der \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung wird bspw. beim sogenannten Normalglühen gezielt genutzt, um ungleichmäßig große Körner in einem Gefüge zu beseitigen und so eine homogene Kornfeinung zu erzielen.

Das vorliegende Perlitgefüge ähnelt aufgrund seiner lamellenförmigen Struktur sehr dem eutektischen Gefüge einer Kristallgemischlegierung (siehe Kapitel Kristallgemischlegierungen). Der Unterschied zum Eutektikum besteht lediglich darin, dass sich ein Eutektikum aus dem flüssigen Zustand bildet während sich das Perlitgefüge aus dem bereits erstarrten Zustand formt. In Abgrenzung hierzu wird das perlitische Phasengemisch deshalb nicht als Eutektikum sondern als Eutektoid bezeichnet. Im vorliegenden Fall weist der Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,8 % ein rein eutektoides Gefüge auf, weshalb ein solcher Stahl dann auch als eutektoider Stahl bzw. perlitischer Stahl bezeichnet wird.

Gefüge-Bild, Schliffbild, Perlit, perlitischer, eutektoider, Stahl, C80, Eutektoid

Abbildung: Gefügebild von perlitischen Stahl

Das abgebildete Gefügebild zeigt einen perlitischen Stahl mit 0,8% Kohlenstoff. Zu sehen sind die streifenförmig eingebetteten Zementitlamellen (dunkle Streifen) in den Ferritkörnern (helle Bereiche dazwischen).

  • Eutektoide Stähle weisen bei Raumtemperatur ein rein perlitisches Gefüge auf (Ferritkörner mit eingelagerten Zementitlamellen)!

Ein rein eutektoides Perlitgefüge liegt allerdings nur dann vor, wenn der Stahl einen Kohlenstoffgehalt von exakt 0,8 % aufweist. Welche Auswirkung eine andere Kohlenstoffkonzentration auf den Gefügeaufbau des Stahls hat, wird im folgenden Kapitel näher betrachtet.