Kapitel 2 Einige Befunde für reines Eisen

• Allotropie: Vielgestaltigkeit in Abh. von T&p
• bei p=konst und steigender T verändert sich die Gitterkonstante a sowie das Volumen V von Eisen
• mehrere allotrope Formen, die bei versch. T&p stabil sind
  1.  α-Fe: Stabil bei Raumtemperatur bis etwa 911 °C, ist es kubisch-raumzentriert (krz) und wird auch als Ferrit bezeichnet. Es ist magnetisch bis zu einer Temperatur von etwa 768 °C, der Curie-Temperatur, oberhalb derer es paramagnetisch wird.
  2. γ-Fe: Stabil zwischen etwa 912 °C und 1392 °C, ist es kubisch-flächenzentriert (kfz) und wird auch als Austenit bezeichnet. Diese Form ist nicht magnetisch und kann mehr Kohlenstoff lösen als Alpha-Eisen, was für die Stahlherstellung wichtig ist.
  3. δ-Fe: Stabil von etwa 1393 °C bis zum Schmelzpunkt bei 1536 °C, ist es wieder kubisch-raumzentriert (krz) wie Alpha-Eisen, aber bei höheren Temperaturen.
  

 
 

1. α-Fe zu γ-Fe: Der Übergang von kubisch-raumzentriertem (krz) Alpha-Eisen zu kubisch-flächenzentriertem (kfz) Gamma-Eisen, auch als Austenit bekannt, erfolgt bei etwa 911 °C.

2. γ-Fe zu δ-Fe: Der Übergang von Gamma-Eisen zu kubisch-raumzentriertem Delta-Eisen findet bei etwa 1392 °C statt.

3. δ-Fe zu Schmelze: Das Schmelzen von Delta-Eisen zu flüssigem Eisen tritt beim Schmelzpunkt von reinem Eisen bei etwa 1536 °C auf.

Das Zustandsschaubild von reinem Eisen zeigt die Stabilität der verschiedenen Phasen in Abhängigkeit von Temperatur (T) und Druck (p). In diesem Diagramm werden die Phasenbereiche und die Phasenübergänge dargestellt.

1. Einphasige Felder: Diese Bereiche repräsentieren die Phasen, in denen reines Eisen in einer einzigen Phase existiert. Die einphasigen Felder im Diagramm sind für Dampf (D), Schmelze (S), Gamma (γ), Alpha (α bzw. δ) und Epsilon (ε). Innerhalb dieser Felder ist die Phasenzahl konstant, und es ist möglich, Temperatur und Druck zu variieren, ohne dass sich die Phasenzahl ändert (bivariantes Gleichgewicht).

2. Zweiphasige Linien: Diese Linien repräsentieren die Bedingungen, unter denen zwei Phasen von Eisen im Gleichgewicht koexistieren. Beispiele für zweiphasige Linien sind D/S (Dampf/Schmelze), S/γ (Schmelze/Gamma), α/γ (Alpha/Gamma) und andere. Auf diesen Linien ist zu jeder Temperatur der Druck festgelegt (oder umgekehrt), wenn die Zahl der Phasen unverändert bleiben soll (mono- oder univariantes Gleichgewicht).

3. Dreiphasige Punkte (Tripelpunkte): An diesen Punkten koexistieren drei Phasen von Eisen im Gleichgewicht. Beispiele für Tripelpunkte sind D/δ/S (Dampf/Alpha/Schmelze) und S/γ/δ (Schmelze/Gamma/Alpha). An diesen Punkten sind Temperatur und Druck festgelegt, und es gibt keine Freiheitsgrade (nonvariante Gleichgewichte).

1. Kristallstruktur: krz -> kfz -> krz
2. Magnetismus: alpha-Fe bid 768°C magnetisch, danahc paramagnetisch
3. Dichte: krz von alpha-Fe hat idR höhere Dichte als kfz bei gamma-Fe
4. Thermischer Ausdehnungskoeffizient: steigt bei Übergang von alpha -> gamma, stark an und sinkt dann wieder bei gamma-> delta, bei Curie-Temperatur kleiner Einbruch, da hier Fe permanent mahnetische Ordnung verliert
5. Volumen: bei Übergang krz->kfz hat kfz eine höhere Packungsdichte, als sinkt das Volumen, steigt dann bei kfz -> krz wieder an. Schrumpfung und Wachstum sind nicht identisch, Grund dafür ist der höhere thermische Ausdehnungskoeffizient von gamma.

 

1. α-Fe: Als kubisch-raumzentrierte Struktur (krz) ist Alpha-Eisen relativ weich und duktil bei niedrigen Temperaturen. Es ist magnetisch und zeigt eine gute Magnetisierbarkeit bis zur Curie-Temperatur von etwa 768 °C.

2. γ-Fe: Die kubisch-flächenzentrierte Struktur (kfz) des Gamma-Eisens ermöglicht eine dichtere Packung und eine höhere Anzahl von Gleitsystemen, was zu einer besseren Verformbarkeit bei hohen Temperaturen führt. Gamma-Eisen ist nicht magnetisch und kann mehr Kohlenstoff lösen, was für die Stahlhärtung und die Bildung von Austenitstahl wichtig ist.

3. δ-Fe: Delta-Eisen hat eine ähnliche krz-Struktur wie Alpha-Eisen, ist aber bei höheren Temperaturen stabil. Es spielt eine Rolle bei der Herstellung von Stahl, insbesondere während des Schmelz- und Gießprozesses.

1. Mechanische Eigenschaften: Die verschiedenen allotropen Formen von Eisen haben unterschiedliche Kristallstrukturen und damit verbundene mechanische Eigenschaften. Zum Beispiel ist α-Eisen (Ferrit) relativ weich und duktil, während γ-Eisen (Austenit) eine höhere Löslichkeit für Kohlenstoff aufweist, was für die Stahlhärtung wichtig ist.

2. Wärmebehandlung: Durch gezielte Wärmebehandlungsprozesse wie Härten, Anlassen und Normalisieren können die Phasenübergänge von Eisen genutzt werden, um die Mikrostruktur und damit die Eigenschaften von Stahl zu kontrollieren. Zum Beispiel wird beim Härten von Stahl Austenit durch schnelles Abkühlen (Abschrecken) in Martensit umgewandelt, was zu einer erhöhten Härte führt.

3. Schweißen und Gießen: Die Kenntnis der Phasenübergänge ist auch beim Schweißen und Gießen von Eisenwerkstoffen wichtig, da thermische Zyklen die Mikrostruktur und Eigenschaften des Materials beeinflussen können.

4. Legierungsentwicklung: Die Fähigkeit von γ-Eisen, mehr Kohlenstoff und andere Legierungselemente zu lösen als α-Eisen, ist entscheidend für die Entwicklung von Stählen mit spezifischen Eigenschaften.

Phasenübergänge in Eisen-basierten Legierungen, insbesondere in Stählen, haben signifikante Auswirkungen auf deren Mikrostruktur und damit auf die makroskopischen Eigenschaften wie Härte, Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit.
 

• Änderung der Kristallstruktur: Die allotropen Phasenübergänge von Eisen (α-Fe zu γ-Fe zu δ-Fe) gehen mit einer Änderung der Kristallstruktur einher. Diese Änderungen beeinflussen die Anordnung der Atome und damit die Art und Weise, wie sich Legierungselemente wie Kohlenstoff im Gitter verteilen können.
• Löslichkeit von Kohlenstoff: Gamma-Eisen (Austenit) kann mehr Kohlenstoff lösen als Alpha-Eisen (Ferrit). Während der Abkühlung von Austenit kann der überschüssige Kohlenstoff nicht mehr gelöst werden, was zur Bildung von Eisenkarbid (Fe3C) oder Zementit führt. Dies beeinflusst die Härte und Festigkeit der Legierung.
• Korngröße und Kornform: Phasenübergänge können die Korngröße und -form in der Mikrostruktur verändern. Feinkörnige Strukturen erhöhen in der Regel die Festigkeit und Zähigkeit von Stählen
• Ausscheidungshärtung: Bei bestimmten Legierungen können Phasenübergänge zur Bildung von Sekundärphasen führen, die als Ausscheidungen wirken und die Festigkeit durch Ausscheidungshärtung erhöhen.
• Martensitische Umwandlung: Eine schnelle Abkühlung (Abschrecken) von Austenit kann zu einer diffusionslosen Umwandlung führen, bei der sich Martensit bildet, eine sehr harte und spröde Phase, die die Härte des Stahls erhöht.
• Perlitische Umwandlung: Langsamere Abkühlung von Austenit führt zur Bildung von Perlit, einer lamellaren Struktur aus Ferrit und Zementit, die eine gute Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit bietet.