Werkstofftechnik - Skripte

Wie bereits im vorhergehenden Skript erwähnt wurde, versteht man im Maschinenbau und in der Werkstofftechnik unter den Begriffen Eisen und Stahl meist Eisen-Kohlenstoff-Legierungen. Es handelt sich hier um ein Zweistoffsystem, das hauptsächlich aus Eisen (Fe) besteht, Kohlenstoff ist das Legierungselement.

Der Kohlenstoff kann als Legierungsbestandteil von Eisen in folgenden Zuständen vorkommen:

• gelöst als α-Mischkristall (krz), γ-Mischkristall (kfz) oder δ-Mischkristall (krz)
• gebunden als Fe₃C = Zementit bzw. Eisencarbid (orthorhombisch) oder ε-Carbid (hex)
• frei als Fe-C = Graphit (hex)

Die Erstarrung homogener Fe-C-Schmelze kann unterschiedlich ablaufen. Ausschlaggebend für den Verlauf und das Resultat sind die Abkühlgeschwindigkeit und die chemische Zusammensetzung. Man unterscheidet dabei in stabile Systeme, metastabile Systeme und Gefüge, in denen stabile und metastabile Systeme nebeneinander vorliegen.

a) stabiles System

Beim stabilen System liegen im Gefüge Eisen und Kohlenstoff ausschließlich als Graphit (Fe-C) vor. Das stabile System wird durch langsames abkühlen der Schmelze und carbidzerlegende Elemente begünstigt.

b) metastabiles System

Beim metastabilen System (Fe-Fe₃C) liegen in den sich bildenden Gefügen nur Eisen und Zementit (Fe₃C) bzw. Eisencarbid vor. Unter Zementit bzw. Eisencarbid versteht man eine Intermetallische Phase mit einem Kohlenstoffgehalt von 6,67%. Man unterscheidet des Weiteren Primärzementit, Sekundärzementit und Teritärzementit. Zementit zerfällt beim Erwärmen in Eisen und Kohlenstoff. Somit ist für Zementit kein genauer Schmelzpunkt bestimmbar, weshalb die Liquiduslinie im Zustandsdiagramm bei C > 4,3% gestrichelt gezeichnet wird.
Das metastabile System wird durch rasches abkühlen der Schmelze und carbidbildende Elemente begünstigt.

c) stabiles + metastabiles System

Die Gefüge, in denen stabile und metastabile Systeme nebeneinander vorliegen, enthalten Eisen, Kohlenstoff und Zementit.

Die Zustandsdiagramme von Zweistoffsystemen wurden bereits in der Kategorie Metalle genauer beschrieben. Da das System Eisen-Kohlenstoff ebenso ein Zweistoffsystem ist, gibt es auch hierfür ein Zustandsdiagramm, welches sich jedoch etwas komplizierter darstellt als die bisher beschriebenen Phasendiagramme. Das Zustandsdiagramm ist das Eisen-Eisencarbid-Diagramm, auch Eisen-Kohlenstoff-Diagramm genannt.

Es handelt sich bei den beiden Komponenten dieses Zweistoffsystems um Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C). Der Teil des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms, den wir betrachten, ist jedoch nur ein Ausschnitt aus dem gesamten Zustandsdiagramm. Denn der Teil, der für die Werkstofftechnik interessant ist, erstreckt sich von 0% Kohlenstoff bis 6,67% Kohlenstoff. Der Bereich des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms, der über 6,67% Kohlenstoffgehalt (Masseanteil) hinaus geht, wird also nicht betrachtet.

Die folgende Grafik zeigt das Eisenkohlenstoff-Diagramm, danach folgt eine Beschreibung der wichtigsten Bereiche, Punkte und Linien, die darin abgebildet sind.

Um das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm etwas zu strukturieren, kann man es in drei Hauptbereiche unterteilen:

Bereich 1:

Dieser Bereich umfasst die Gebiete um den Punkt C. Hier findet die Phasenumwandlung von flüssig zu fest statt. Beim Punkt C liegt das Eutektikum.
Außerdem liegt in diesem Bereich der Punkt E, der auf der Konzentrationslinie von 2,06% Kohlenstoff liegt. Die 2,06%-Kohlenstoffgrenze ist für die Werkstofftechnik besonders wichtig, da Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die einen höheren Kohlenstoffgehalt aufweisen als Gusseisen bezeichnet werden, die die darunter liegen (von 0,002% bis 2,06% C) als Stahl.

Bereich 2:

Das besondere am zweiten Bereich im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist, dass hier eine Umwandlung von fest zu fest stattfindet. Bei Punkt S befindet sich der Eutektoid (= ein Eutektikum bei einer Umwandlung im festen Zustand). Das Gefüge des Eutektoid wird Perlit genannt.

Bereich 3:

In diesem Bereich liegt (wie in Bereich 1) eine Umwandlung von flüssig zu fest vor. Das besondere hier ist aber, dass in diesem Bereich des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms das Peritektikum liegt.
Zur Erinnerung: Das Peritektikum ist ein α-Mischkristall, um den sich bei weiterer Abkühlung ein β-Mischkristall bildet.

 
Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm in drei Hauptbereiche gegliedert

Beschreibung der Linien und Reaktionen

ABCD-Linie = Liquiduslinie
Die Linie, die sich über die Punkte ABCD erstreckt, ist die Liquiduslinie. Unterhalb dieser Linie beginnt die Erstarrung der Schmelze. Unterhalb der ABC-Linie entstehen Eisenmischkristalle (γ-Mischkristalle + δ-Mischkristalle). Unterhalb der CD-Linie bildet sich Fe₃C, also Zementit.

AHIECF-Linie = Soliduslinie
Unterhalb der Soliduslinie ist die Erstarrung vollständig abgeschlossen. Im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist zu erkennen, dass die Erstarrungstemperatur vom Kohlenstoffgehalt der Legierung abhängig ist.

ECF-Linie = Eutektikale
Oberhalb dieser Linie existieren flüssige und feste Phasen nebeneinander. Es haben sich hier γ-Mischkristalle und Zementit Fe₃C gebildet. Beim Durchschreiten der eutektischen Linie erstarrt die Schmelze zu γ-MK und Fe₃C. Dieses eutektische Kristallgemisch wird als Ledeburit bezeichnet.

PSK-Linie = Eutektoide
Die PSK-Linie befindet sich in Bereich 2. Sie ist eine Linie konstanter Temperatur (723°C). Die γ-Mischkristalle, die oberhalb dieser Linie noch existieren, sind unterhalb der PSK-Linie vollständig zerfallen. Hier bildet sich das eutektoide Kristallgemisch, das Perlit genannt wird. Perlit besteht aus α-MK und Fe₃C.

SE-Linie = Löslichkeits- bzw. Sättigungslinie
Bei Kohlenstoffkonzentrationen zwischen 0,8% und 2,06% wird der zuviel gelöste Kohlenstoff bei Abkühlung in Form von Sekundärzementit (Fe₃C) ausgeschieden.

GPQ-Linie
Im Gebiet links von der GPQ-Linie ist ein Einphasengebiet mit α-Mischkristallen (Ferrit). Kohlenstoff ist hier nur in sehr geringer Konzentration löslich (10^-5 bis 0,02%)

DL
Diese Linie bildet den rechten Rand des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms. Hier liegt zu 100% Zementit (Fe₃C) vor. Am linken Rand liegt 0% Fe₃C vor. Der prozentuale Massegehalt steigt also vom linken bis zum rechten Rand des Diagramms – d.h. mit steigendem Kohlenstoffgehalt – linear an.

Ferrit

Ferrit ist ein Metallgefüge, das (bei Temperaturen unter 911°C) hauptsächlich aus α-Mischkristallen besteht. Werkstoffe mit Ferritgefüge sind weich und besitzen eine geringe Festigkeit, daher werden sie z.B. bei Kaltumformung verwendet. Typische Einsatzgebiete sind Weicheisen, Relaiseisen, Einsatzstahl, Automobilbleche.

Austenit

Dieses Gefüge besteht aus γ-Mischkristallen und besitzt ein kubisch-flächenzentriertes Gitter. Austenit besitzt eine geringe Härte, wodurch es relativ schlecht zerspanbar ist, jedoch gut umformbar. Das Gefüge von Austenit ist an seinen typischen Zwillingskorngrenzen zu erkennen.
Wie man im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm erkennen kann, wandelt sich Austenit bei Temperaturen unter 723°C in Perlit um. Daher kommt Austenit bei Raumtemperatur nur in Legierungen vor. Er ist häufig Haupt-Gefüge-Bestandteil von nichtrostenden Stählen.

Zementit

Zementit oder auch Eisencarbid (Fe₃C) ist ein Gefüge, das die Festigkeit des Eisenwerkstoffs erhöht und die Umformbarkeit verringert. Grund hierfür ist seine Härte (HV=800), die den Zementit verschleißfest, spröde und gut spanbar macht. Außerdem ist Zementit magnetisch.
Zementit besitzt einen orthorhomischen Gitteraufbau, der aus zwölf Eisen- und vier Kohlenstoffatomen besteht.

Ledeburit

Ledeburit ist ein Phasengemisch, welches beim Abkühlen seine Gefüge-Zusammensetzung verändert. So ist Ledeburit I dicht unterhalb von 1.147 °C ein Gefüge aus Austenit und Zementit. Bei Raumtemperatur besteht Ledeburit II aus Zementit mit ankristallisiertem Sekundärzementit und Perlit.
Da Ledeburit einen Kohlenstoffgehalt zwischen 2,06 % und 6,67 % besitzt, stellt er die Grenze zwischen Stahl und Eisen dar (Stahl besitzt einen Kohlenstoffgehalt unter 2,06%).
Außerdem besteht das Eutektikum des Eisen-Eisencarbid-Systems aus Ledeburit.

Perlit

Bei Abkühlung des Eisen-Eisencarbid-Systems unter 723°c entsteht aus Austenit Perlit. Perlit ist ein Phasengemisch aus Ferrit und Zementit. Perlit liegt bei Kohlenstoffgehalten zwischen 0,02% und 6,67% vor – d.h. er kommt in Stahl sowie in Eisenwerkstoffen vor. Bei Kohlenstoffgehalten über 4,3% liegt Perlit als Gefügebestandteil von Ledeburit II vor.
Außerdem besteht der Eutektoid des Eisen-Eisencarbid-Systems, der bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,8% entsteht, aus Perlit.

Übersichtstabelle - Gefügearten des Eisen-Eisencarbid-Systems

Eine Einteilung der Eisenwerkstoffe kann nach unterschiedlichen Merkmalen erfolgen (Eisenwerkstoffe = Überbegriff für alle Eisen-Kohlenstoff-Legierungen - auch Stahl). So kann die Einteilung der Eisenwerkstoffe wie folgt stattfinden:

• nach Kohlenstoffgehalt
• nach chemischer Zusammensetzung (Stahl)
• nach Gebrauchsanforderungen / Güteklassen (Stahl)

Das folgende Diagramm stellt die Einteilung der Eisenwerkstoffe grafisch dar.

Einteilung der Eisenwerkstoffe nach Kohlenstoffgehalt

Die wichtigste Einteilung der Eisenwerkstoffe anhand des Kohlenstoffgehalts, ist die Unterscheidung zwischen Gusseisen und Stahl. Eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung (= Eisenwerkstoff) wird als Stahl bezeichnet, wenn der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,002% und 2,06% liegt. Ist der Kohlenstoffanteil (Masse-%) höher als 2,06%, spricht man von Gusseisen.

Stähle werden auf Basis ihres Kohlenstoffgehalts weiter in Baustähle (0,1 bis 0,5%C), Vergütungsstähle (0,25 bis 0,8%C) und Werkzeugstähle (0,5 bis 2,06%C) unterteilt. Außerdem kann man eine Unterscheidung zwischen übereutektoiden und untereutektoiden Stählen vornehmen. Von einem übereutektoiden Stahl ist die Rede, wenn der Kohlenstoffanteil über 0,8% liegt. Stähle mit einem Kohlenstoffanteil unter 0,8% werden als untereutektoid bezeichnet.

In der nachfolgenden Tabelle wird die Einteilung der Eisenwerkstoffe anhand des Kohlenstoffgehalts noch mal überschaubar dargestellt.

Werkstoff-Eigenschaften

Gusseisen besitzt (mit Außnahme von GGG) eine mäßige Festigkeit, es ist sehr spröde und schlagempfindlich. Gusseisen ist, wg. seinem Gefüge aus Ledeburit, nicht warmverformbar. Im Gegensatz hierzu sind Stähle bei geeigneter Wärmebehandlung warmverformbar sowie teilweise kaltverformbar, härtbar und vergütbar. Übereutektoide Stähle erlangen durch das Härten und Vergüten eine hohe Festigkeit, sind jedoch ähnlich wie die Gusseisenwerkstoffe spröde und schlagempfindlich. Untereutektoide Stähle besitzen eine geringere Festigkeit, sind dafür aber besser verformbar.
Allgemein gilt, dass die Festigkeit mit zunehmendem Kohlenstoffanteil zunimmt, während die Verformbarkeit parallel abnimmt.

Einteilung der Eisenwerkstoffe nach chemischer Zusammensetzung (Stahl)

Des Weiteren kann man die Stähle anhand der chemischen Zusammensetzung in unlegierte und legierte Stähle unterscheiden. Ob ein Stahl als legiert gilt, liegt am Masseanteil fremder Stoffe – also dem Masseanteil der Legierungselemente. Dieser muss einen bestimmten Grenzgehalt überschreiten, damit der Stahl als legiert gilt.
In der folgenden Tabelle sind die Grenzgehalte für unterschiedliche Elemente aufgeführt.

Grenzgehalte für Legierungselemente im Stahl

Innerhalb der legierten Stähle kann man noch zwischen niedrig- und hochlegierten Stählen unterteilen:

• Niedriglegierte Stähle: Der Masseanteil der Legierungselemente liegt unter 5%
• Hochlegierte Stähle: Der Masseanteil der Legierungselemente liegt über 5%

Einteilung der Eisenwerkstoffe nach Gebrauchsanforderungen / Güteklassen (Stahl)

Unter den Stählen kann man eine weitere Einteilung nach den Gebrauchsanforderungen vornehmen, wobei die Stahlsorten in unterschiedliche Güteklassen eingeteilt werden. So kann eine Einteilung vorgenommen werden in:

• Grundstähle,
• Qualitätsstähle und
• Edelstähle.

Grundstähle

Das Merkmal von Grundstählen ist, dass sie unlegiert sind und die Anforderungen an ihr Gefüge keine Maßnahmen bei der Herstellung erfordert. Es werden keine besonderen Gebrauchseigenschaften von ihnen verlangt. Außerdem sind Grundstähle nicht für eine Wärmebehandlung (außer Glühen) bestimmt.

Qualitätsstähle

Wie der Name vermuten lässt werden an Qualitätsstähle höhere Anforderungen gestellt. Sie können unlegiert aber auch legiert sein. Da an Qualitätsstähle höhere Anforderungen gestellt werden, als an Grundstähle, ist auch bei ihrer Herstellung besondere Sorgfalt notwendig. Zusätzliche Anforderungen können z.B. eine bestimmte Sprödbruchempfindlichkeit, Korngröße, Verformbarkeit sein oder auch Schweißbarkeit bei hoher Festigkeit, Kaltumformbarkeit usw.

Edelstähle

Als Edelstähle werden (legierte aber auch unlegierte) Stahlstorten bezeichnet, die einen hohen Reinheitsgrad besitzen und deren chemische Zusammensetzung besonders eng toleriert ist. Darunter fallen z.B. Stähle, deren Schwefel- und Phosphorgehalt (sog. Eisenbegleiter) 0,025 % nicht übersteigt.
Anders als häufig angenommen, ist ein Edelstahl nicht zwangsläufig ein nichtrostender Stahl (so wie ein nichtrostender Stahl nicht zwangsläufig ein Edelstahl ist).
Weitere Details zu Edelstählen sind in einem separaten Skript zu finden.

In den folgenden Werkstofftechnik-Skripten werden die unterschiedlichen Stahlsorten im Einzelnen detailliert beschrieben.