Stahl: Gefügebestandteile Ferrit, Zementit, Perlit, Austenit, Martensit und Bainit

Zusammenfassung

Der Text beschreibt die wichtigsten Gefügebestandteile von Stahl: Ferrit, Zementit, Perlit, Austenit, Martensit und Bainit. Für jeden werden Aufbau, Eigenschaften und Entstehungsbedingungen erläutert. Außerdem werden die Perlit-Varianten und das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm mit seinen wichtigen Punkten und Phasenfeldern vorgestellt.

Kernpunkte

Ferrit ist eine feste Lösung von Kohlenstoff in α-Eisen, nahezu kohlenstofffrei, weich und gut verformbar.
Zementit (Fe3C) ist ein Eisencarbid, sehr hart und spröde, unterhalb von 217 °C schwach ferromagnetisch.
Perlit ist ein eutektoides Gemisch aus Ferrit und Zementit mit etwa 0,8 % Kohlenstoff.
Austenit ist eine feste Lösung von Kohlenstoff in γ-Eisen mit kubisch-flächenzentriertem Gitter, unmagnetisch, weich und zäh.
Martensit entsteht durch schnelles Abschrecken, ist eine übersättigte Lösung, sehr hart und sehr spröde.
Bainit entsteht bei Badtemperaturen zwischen 250 und 600 °C und tritt als oberer (federartig) oder unterer (nadelförmig) Bainit auf.

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Gefügebestandteile des Stahls

Ferrit

Ferrit ist eine feste Lösung von Kohlenstoff in α-Eisen mit sehr geringer Löslichkeit. Reiner Ferrit ist nahezu kohlenstofffrei. Er ist ferromagnetisch, weich und gut verformbar; seine mechanischen Eigenschaften sind mit Ausnahme der Härte gering.

Zementit

Zementit ist eine chemische Verbindung aus Eisen und Kohlenstoff mit der Formel Fe₃C (Eisencarbid). Der Schmelzpunkt liegt in der Nähe von 1250 °C. Unterhalb von 217 °C ist Zementit schwach ferromagnetisch, oberhalb dieser Temperatur verliert er seine magnetischen Eigenschaften. Er ist sehr hart und spröde; praktisch besitzt er keine Plastizität.

Perlit

Perlit ist ein eutektoides Gefüge, das aus abwechselnden Lamellen von Ferrit und Zementit besteht. Er enthält etwa 0,8 % Kohlenstoff. Perlit ist ferromagnetisch und besitzt mittlere mechanische Eigenschaften mit guter Festigkeit und Zähigkeit.

Die Abstände der Lamellen nehmen mit steigender Abkühlgeschwindigkeit ab. Man unterscheidet daher:

Grobperlit: relativ große Lamellenabstände, Härte ca. 200 HB, entsteht bei langsamer Abkühlung.
Normalperlit: mittlerer Lamellenabstand, Brinellhärte ca. 220 HB.
Feinperlit: sehr geringe Lamellenabstände, Brinellhärte ca. 300 HB.

Austenit

Austenit ist eine feste Lösung von Kohlenstoff in γ-Eisen mit kubisch-flächenzentrierter Gitterstruktur. Der Kohlenstoff sitzt in den Zwischengitterplätzen. Austenit ist nur bei hohen Temperaturen stabil. Er ist unmagnetisch, weich, sehr dehnbar und zäh.

Bei untereutektoiden Stählen entsteht beim Abkühlen aus dem Austenitgebiet ein Gemisch aus Ferrit und Perlit, bei übereutektoiden Stählen ein Gemisch aus Perlit und Zementit.

Martensit

Martensit ist eine übersättigte feste Lösung von Kohlenstoff in α-Eisen. Er entsteht durch schnelles Abkühlen (Abschrecken) von Stählen aus hohen Temperaturen und befindet sich nicht im Gleichgewicht. Das Gitter ist tetragonal verzerrt, da die Kohlenstoffatome die kubischen Zellen des Eisens aufweiten. Martensit ist sehr hart und sehr spröde.

Bainit

Bainit entsteht aus dem Austenit, wenn die Badtemperatur zwischen 250 und 600 °C liegt. Man unterscheidet zwei Formen: den oberen Bainit mit federartigem Aspekt und den unteren Bainit mit nadelförmiger Struktur.

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Wichtige Punkte des Diagramms: B (0,022 % C; 727 °C), I (0,77 % C; 727 °C), K/J (6,67 % C), G (2,11 %), E (4,30 %), F (100 % Zementit), D (100 %), C (100 %).

Die Phasenfelder sind unter anderem: Schmelze, Schmelze + Austenit, Schmelze + Zementit, Austenit, Austenit + Zementit, Ferrit + Austenit, Ferrit + Zementit und Ferrit + Perlit.

Häufige Fragen

Wie entsteht Martensit im Stahl?

Martensit entsteht durch schnelles Abkühlen (Abschrecken) von Stählen aus hohen Temperaturen. Er befindet sich dabei nicht im Gleichgewicht und ist sehr hart und spröde.

Welcher Unterschied besteht zwischen Grobperlit und Feinperlit?

Grobperlit hat relativ große Lamellenabstände und eine Härte von ca. 200 HB und entsteht bei langsamer Abkühlung. Feinperlit hat sehr geringe Lamellenabstände und eine Härte von ca. 300 HB.

Bei welcher Temperatur ist Zementit ferromagnetisch?

Zementit ist unterhalb von 217 °C schwach ferromagnetisch. Oberhalb dieser Temperatur verliert er seine magnetischen Eigenschaften.