Jern-karbon diagram

Bearbeidet jern ( stål og støpejern ) inneholder alltid en viss mengde karbon , hvis andel bestemmer egenskapene til stål og støpejern. Den jern-karbon-diagram (EKD) er en likevektsdiagrammet for det binære jern-karbon-system, fra hvilken den fasesammensetningen kan avleses , avhengig av karboninnholdet og temperaturen .

Såkalte tid-temperatur konverteringsdiagrammer brukes hvis den tidsmessige strukturutviklingen er av interesse med kjøling med forskjellige hastigheter .

Karbon er den viktigste legeringskomponenten i stål, ettersom selv de minste endringene i karboninnholdet har stor innvirkning på materialets egenskaper. Den informative verdien av jern-karbon-diagrammet avtar imidlertid jo raskere det blir avkjølt eller oppvarmet, eller jo større innhold av andre legeringselementer. EKD er representert i to former: det metastabile systemet (Fe-Fe ₃ C), hvor karbonet forekommer i bundet form, og det stabile systemet (Fe-C) med elementært karbon i form av grafitt . De to systemene er vanligvis vist i et diagram og merket deretter. I praksis brukes imidlertid det metastabile Fe-Fe ₃ C-systemet hovedsakelig .

Representasjon av fasene i jern-karbon-diagrammet

Jern-karbon-diagram (svart: metastabilt, rødt: stabilt) med beskrivelse av strukturen

Den masseprosent karbon er plottet på X-aksen og den temperatur på y-aksen . Den Diagrammet viser kun teknisk interessant karboninnholdet fra 0 til 6,67%. Den siste verdi tilsvarer en sementitt innhold på 100%.

Linjene representerer brytepunktene eller knekkpunktene som har blitt flyttet til andre temperaturer og avgrenser de enkelte fasefeltene fra hverandre. De viktige punktene er merket med bokstaver. I noen representasjoner er punkt I referert til som punkt J.

Den ABCD linjen representerer likvidus- linjen, over denne legeringen er flytende, er AHIECF linjen tilsvarer soliduslinjen under hvilken legeringen er fullstendig størknet . I temperaturintervallet mellom liquidus- og solidus-temperaturen har legeringen en massekonsistens og består av restsmelte, δ-jern, γ-jern og sementitt (Fe ₃ C) i varierende konsentrasjoner og proporsjoner. Hvis den faller under likviduslinjen når legeringen avkjøles, begynner primær krystallisering fra smelten .

På grunn av de forskjellige allotrope modifikasjonene av jern, dannes forskjellige faser avhengig av karboninnholdet. Jernet danner forskjellige interkaleringsblandede krystaller (δ-, γ- og α- blandede krystaller ) med forskjellige løseligheter for karbon. Årsakene til den forskjellige løseligheten til de enkelte blandede krystaller er de forskjellige romlige gitterene og gitterkonstantene . De metallografiske navnene på de blandede krystallene er δ- ferritt for δ-blandede krystaller, austenitt for γ-blandede krystaller og ferritt for α-blandede krystaller.

Grov underavdeling

• Smelte refererer til den flytende legeringen av jern-karbon. Over liquiduslinjen er hele legeringen til stede som smelte, mellom liquidus- og soliduslinjen som en blandet krystallkomponent med smelte og under soliduslinjen som blandede krystaller.
• δ- ferritt (delta ferritt): kroppssentrert kubisk krystallstruktur
• Austenitt (γ blandede krystaller): ansiktssentrert kubisk krystallstruktur
• α-ferrit (Alpha-ferrit): kroppssentrert kubisk krystallstruktur
• Grafitt (stabilt system) eller sementitt (Fe ₃ C; metastabilt system)

Når perlit og Ledeburit ikke handler om faser, men spesielle faseblandinger ( struktur ). Disse oppstår bare i et stabilt eller metastabilt system, dvs. med langsom kjøling. På den annen side, med rask avkjøling (f.eks. Slukking i vann), blir austenitt martensitt . Martensite er en hard og sprø struktur. I det metastabile systemet er det følgende karakteristiske punkter, linjer og fenomener:

• Poeng
  • A: (0% / 1536 ° C) B: (0,53% / 1493 ° C) C: (4,3% / 1147 ° C) D: (6,67% / 1320 ° C) E: (2., 06% / 1147 ° C)
  • F: (6,67% / 1147 ° C) G: (0% / 911 ° C) H: (0,1% / 1493 ° C) I: (0,16% / 1493 ° C) K: (6, 67% / 723 ° C)
  • N: (0% / 1392 ° C) P: (0,022% / 723 ° C) S: (0,8% / 723 ° C) Q: (0,002% / 20 ° C) M: (0% / 769 ° C)
  • S ': (0,69% / 738 ° C) E': (2,03% / 1153 ° C) C ': (4,25% / 1153 ° C)
• Linjer
  • Liquidus : ABCD solidus : AHIECF
  • Eutektikalier : ECF Eutektoider : PSK Peritecticals : HIB
• Fenomener
  • Eutektisk : 4,3% ved 1147 ° C (punkt C)
  • Eutektoid : 0,8% ved 723 ° C (punkt S)
  • Peritectic : 0,16% ved 1493 ° C (punkt J)

Metallografisk betegnelse

De metallografiske navnene på de blandede krystallene er δ-ferritt for δ-blandede krystaller, austenitt for γ-blandede krystaller og ferritt for α-blandede krystaller.

Jern-karbonforbindelsen Fe ₃ C eller sementitt er også en fase, men dette skal ikke forveksles med blandede jernkrystaller, det er en intermetallisk / mellomfase. Sementitt forekommer i tre forskjellige former, hvor den kjemiske sammensetningen av sementitt alltid er den samme:

I tillegg til de rene fasene, forekommer også faseblandinger:

Isotermiske reaksjoner

Jern-karbon-diagrammet viser tre isotermiske reaksjoner, en peritectic (linje HIB), en eutektisk (linje ECF) og en eutektoid (linje PSK). Punkt H: Maksimal C-løselighet i δ-ferrit. Punkt J: peritectic δ + S → γ.

Når stålet blir oppvarmet eller avkjølt, opprettes bruddpunkter på noen linjer som markerer de individuelle transformasjonene. De viktigste er:

• En ₁ -linjers PSK, ved 723 ° C går austenitten i oppløsning i perlitt, med karboninnhold> 0,02%
• En ₂ -linjers MO, betegner tapet av ferromagnetisme av ferritt ved oppvarming over 769 ° C ( Curie-punkt ).
• En ₃ -linjers GOS, hvis denne linjen ikke nås under avkjøling, dannes karbonfattige α-blandede krystaller (ferritt), det frigjorte karbonet akkumuleres i austenitt til det har nådd eutektoidkonsentrasjonen ved 723 ° C.

Linjen ECF kalles den eutektiske linjen eller også eutektisk, fordi det er her eutektikken oppstår. Hvis smelten har den eutektiske konsentrasjonen på 4,3% C, transformerer den isotermisk ved 1147 ° C (punkt C) til en blandet struktur av austenitt og sementitt, den såkalte ledeburitten.

Linjen HJB kalles peritectic line eller peritectical, her δ blandede krystaller med 0,1% C og restsmelte med 0,51% C settes isotermisk ved 1493 ° C til γ blandede krystaller med 0,16% C (punkt I).

applikasjon

Ved hjelp av jern-karbon-diagrammet, for eksempel, noen spørsmål om den forskjellige oppførselen til stål (formbar jernlegering, vanligvis med <2,06% C) og støpejern (ikke-formbar jernlegering, vanligvis med> 2,06% C) kan forklares:

• Stål kan smides fordi det lett kan deformeres i det brede, homogene austenittområdet. Denne oppførselen forekommer ikke med støpejern fordi de større andelene karbon i form av grafitt eller ledeburitt gjør deformerbarheten vanskeligere og overgangen til smelten er brå.
• Den smeltetemperaturen for rent jern er 1536  ° C , temperaturene i fullstendig størkning (eller begynnelsen av smelting) av stål (AHIE linje) og støpejern (ECF linje ved 1147 ° C) kan også bli lest. Det nedre smeltepunktet for støpejern er en av grunnene til at det er bedre og lettere å støpe enn stål.

Den grafiske representasjonen av disse egenskapene som en funksjon av karboninnholdet gjør jern-karbon-diagrammet til et viktig verktøy for å vurdere og forstå de forskjellige jernlegeringene som utgjør en av de mest brukte materialgruppene.

litteratur

• Hermann Schumann, Heinrich Oettel: Metallography . 14. utgave. Wiley-VCH-Verlag.
• Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulze: Materialteknologi . 8. utgave. Springer-Verlag Berlin.
• Volker Läpple: Varmebehandling av stål . 9. utgave. Forlag Europa-Lehrmittel.

Individuelle bevis

1. ↑ ^{a b} Christoph Broeckmann: Material Science 1. Aachen 2015, s. 277 ff.
2. ↑ Dr. Volker Läpple: Varmebehandling av grunnleggende stålprosesser , prosesser og materialer. 8. utgave. Europa-Lehrmittel Nourney, Vollmer, Haan 2003, ISBN 3-8085-1308-X .

Denne versjonen ble lagt til i listen over artikler som er verdt å lese 28. september 2005 .