Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Kohlenstoff spielt bei der Gefügebildung beim Eisen eine dominante Rolle. Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C) bilden ein kubisches Raumgitter. An den Eckpunkten dieses Gitters befinden sich Eisenatome. Die Kohlenstoffatome können zwei Positionen einnehmen. Entweder befinden sie sich flächenzentriert in der Mitte einer jeden Würfelfläche (Gamma-Mischkristall) oder zentriert in der Mitte eines jeden Kubus (Alpha-Mischkristall). Eine untergeordnete Rolle spielt der Delta-Mischkristall, der ebenfalls über raumzentrierte Kohlenstoffatome verfügt, jedoch nur bei hochlegierten Stählen zum Einsatz kommt.

Alpha Mischkristall	Gamma Mischkristall

Kohlenstoff ist das wichtigste Legierungselement beim Eisen. Die Menge des enthaltenen Kohlenstoffs entscheidet über die Härte des Materials und somit auch über die spätere Verwendbarkeit. Wichtig an dieser Stelle ist die Tatsache, dass im Gamma-Mischkristall wesentlich mehr Kohlenstoff aufgenommen werden kann. Eisen und Kohlenstoff gehen eine chemische Verbindung ein, die Zementit (Fe3C) genannt wird.

Das Eisen-Kohlenstoff-Teildiagramm

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist eine grafische Darstellung der jeweiligen Gefügezustände in Abhängigkeit von Temperatur (y-Achse) und Kohlenstoffgehalt (x-Achse). Das eigentliche Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist wesentlich größer als der hier abgebildete Teil.

Wir betrachten an dieser Stelle nur den Bereich des Stahls mit einem Kohlenstoffgehalt bis maximal 2%. Es gibt auch Eisen mit einer höheren Kohlenstoffkonzentration – an dieser Stelle würde sich das Teildiagramm des Gusseisens anschließen, was für unsere Betrachtung jedoch nicht von Interesse ist.

Die Abkühlung aus der Schmelze verläuft im Wesentlichen über die Phasen Austenit zum Ferrit – also vom Gamma- zum Alpha-Mischkristall. Betrachtet man diesen Vorgang von der Kristallstruktur aus, versuchen die Kohlenstoffatome von den Flächen ins Zentrum des Kristalls zu wechseln. Diese Position kann aber nur von einem einzigen Atom in Anspruch genommen werden. Die anderen Kohlenstoffatome werden ausgeschieden und bilden Zementit (Fe3C).

Im festen Zustand sind gibt es vier verschiedene Gefüge:

Ferrit	Ferrit + Perlit	Perlit	Perlit + Zementit

• Ferrit:enthält kaum Kohlenstoff.

• Ferrit + Perlit: Bei steigender Kohlenstoffkonzentration wird Zementit ausgeschieden. Dieser wird zu einem neuen Gefügebestandteil und bildet ein Ferrit-Perlit-Gefüge.

• Perlit: Bei weiter ansteigender Kohlenstoffkonzentration nimmt der Ferritanteil stetig ab. Ab einer Kohlenstoffkonzentration von 0,8…0,85 % ist nur noch Perlit vorhanden.

• Perlit + Zementit: Bei weiter anwachsender Kohlenstoffkonzentration lagert sich Zementit an den Korngrenzen des Perlilts ab. Bei der Betrachtung unter einem Mikroskop ist dies durch verdickte Korngrenzen zu erkennen. Zementit ist ein sehr harter und spröder Gefügebestandteil. Bei vielen Stahlsorten muss daher die Zementit-Ausscheidung verhindert werden. Dies geschieht durch eine schnelle Abkühlung. Wird die Zementitbildung nicht unterbunden, kann es bei mechanischer Beanspruchung zu Ausplatzungen kommen.