Die Welt der Werkstoffe, Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, Teil 2

Summary

In diesem Video präsentiert Prof. Bonnet das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm und erklärt die verschiedenen Phasen und Prozesse in diesem metastabilen System. Er behandelt die Bedeutung eutektischer, untereutektoider und übereutektoider Stähle sowie deren mechanische und technologische Eigenschaften in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt. Der Einfluss des Kohlenstoffs auf die Schmelztemperatur, Gießbarkeit, Verformbarkeit, Härte und Schweißeignung wird detailliert erläutert. Die Kenntnis über diese Aspekte ermöglicht Ingenieuren, gezielt Werkstoffe für spezifische Anwendungen auszuwählen und deren Eigenschaften zu optimieren.

Takeaways

• 😀 Der Schmelzpunkt von reinem Eisen liegt bei 1536°C, sinkt jedoch durch gelösten Kohlenstoff auf 1147°C.
• 😀 Der eutektische Punkt im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm liegt bei 4,3% Kohlenstoff, was zu einer optimalen Gießbarkeit führt.
• 😀 Untereutektische Legierungen enthalten homogene gamma-Mischkristalle und sind schmiedbar, während das Vorhandensein von Ledeburit das Umformen einschränkt.
• 😀 Der Kohlenstoffgehalt beeinflusst die mechanischen Eigenschaften von Stahl: Höherer Kohlenstoffgehalt führt zu höherer Härte, aber geringerer Zähigkeit.
• 😀 Bei Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt über 0,8% diffundieren Kohlenstoffatome aus gamma-Mischkristallen und bilden Sekundärzementit.
• 😀 Das Gefüge aus Ferrit und Zementit, bekannt als Perlit, entsteht bei der Umwandlung von Austenit durch langsame Abkühlung.
• 😀 Der Zementitanteil im Gefüge wirkt sich entscheidend auf die Zugfestigkeit aus; Korngrenzenzementit kann die Festigkeit verringern.
• 😀 Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,25% besitzen eine gute Schweißeignung, während höhere Gehalte spezielle Bedingungen erfordern.
• 😀 Die Gießbarkeit von Stahl nimmt mit steigendem Kohlenstoffgehalt ab, da hohe Schmelztemperaturen erforderlich sind.
• 😀 Wärmebehandlungen von Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,2-0,6% ermöglichen signifikante Verbesserungen in Härte und Festigkeit.

Q & A

Was ist das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm und warum ist es wichtig?

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist ein zentrales Konzept in der Werkstoffkunde, das die Phasen und deren Zusammensetzungen bei verschiedenen Temperaturen und Kohlenstoffgehalten von Eisen beschreibt. Es hilft, die Eigenschaften und das Verhalten von Stahl und Gusseisen zu verstehen.

Was passiert am eutektischen Punkt im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm?

Am eutektischen Punkt mit 4,3% Kohlenstoff liegt eine spezielle Zusammensetzung vor, bei der das Schmelzpunkt des Eisens von 1536°C auf 1147°C sinkt. Eutektische Legierungen sind gut zum Gießen geeignet, da sie niedrigere Schmelztemperaturen und weniger Neigung zu Seigerungen aufweisen.

Welche Mikrostruktur entsteht bei untereutektischen Legierungen?

Bei untereutektischen Legierungen, die einen Kohlenstoffgehalt von unter 2% haben, bilden sich homogene gamma-Mischkristalle (Austenit), die in der Schmelze wachsen und bei der Erstarrung das Gefüge bilden.

Was ist der Unterschied zwischen unter- und überperlitischen Stählen?

Unterperlitische Stähle haben einen Kohlenstoffgehalt von unter 0,8% und enthalten Ferrit und Perlit, während überperlitische Stähle über 0,8% Kohlenstoff besitzen und Zementit sowie Perlit enthalten, was ihre mechanischen Eigenschaften beeinflusst.

Wie beeinflusst der Kohlenstoffgehalt die mechanischen Eigenschaften von Stahl?

Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nimmt die Härte und Zugfestigkeit des Stahls linear zu, während die Bruchdehnung abnimmt. Für eine gute Kombination aus Zähigkeit und Festigkeit liegt der optimale Kohlenstoffgehalt zwischen 0,2% und 0,8%.

Was passiert bei der Umwandlung von Austenit zu Ferrit?

Bei einer Abkühlung durchläuft der Austenit eine Umwandlung in den kubisch-raumzentrierten Ferrit und Zementit, wobei Kohlenstoff aus dem Austenit in die Nachbarbereiche abgedrängt wird, was zur Bildung von Perlit führt.

Welche Rolle spielt die Zementitphase im Stahlgefüge?

Die Zementitphase ist spröde und vermindert die Bruchdehnung. Ein hoher Zementitanteil kann die Zugfestigkeit erhöhen, solange er in zähem Ferrit eingebettet ist. Bei Anwesenheit von Korngrenzenzementit nimmt die Festigkeit jedoch ab.

Wie beeinflusst der Kohlenstoffgehalt die Gießbarkeit von Eisenlegierungen?

Ein steigender Kohlenstoffgehalt senkt die Schmelztemperatur, was die Gießbarkeit verbessert. Allerdings sind Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 2% wegen ihrer hohen Schmelztemperaturen nicht für dünnwandige Güsse geeignet.

Wie beeinflusst der Kohlenstoffgehalt die Schweißeignung von Stählen?

Die Schweißeignung nimmt mit steigendem Kohlenstoffgehalt ab, insbesondere über 0,25%. Bei höheren Kohlenstoffgehalten müssen spezielle Schweißbedingungen angewendet werden, um Rissbildung zu vermeiden.

Warum sind untereutektische Gusseisenlegierungen besonders gießfähig?

Untereutektische Gusseisenlegierungen zeigen aufgrund ihrer Nähe zum eutektischen Punkt eine gute Gießbarkeit, da sie niedrigere Schmelztemperaturen haben und weniger zur Bildung von Dendriten neigen.