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Eisen-Kohlenstoff-System

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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.

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