Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD) ist ein Gleichgewichtsschaubild für das binäre System Eisen-Kohlenstoff, aus dem sich in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt und der Temperatur die Phasenzusammensetzung ablesen lässt.

Ist die zeitliche Gefügeentwicklung bei unterschiedlich schneller Abkühlung von Interesse, werden so genannte Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder verwendet.

Darstellung der Phasen im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Auf der x-Achse werden die Gewichtsprozente des Kohlenstoffes aufgetragen, auf der y-Achse die Temperatur. Das Diagramm stellt nur den technisch interessanten Anteil an Kohlenstoff von 0 bis 6,7% dar.

Die oberen Linien des Diagramms stellen die Schmelz- bzw. Erstarrungspunkte aller möglichen Mischungen von Eisen und Kohlenstoff dar, so dass sich für jede dieser Mischungen die zugehörigen Temperaturen ablesen lassen. Da sich Eisen und Kohlenstoff nicht in jedem Verhältnis miteinander mischen lassen und zudem auch noch je nach Konzentration von Kohlenstoff unterschiedliche chemische Bindungen eingehen, entsteht daraus eine Vielzahl von Phasen, die im Diagramm durch Umwandlungslinien voneinander abgegrenzt werden.

Die Endpunkte der einzelnen Umwandlungslinien sind im Diagramm mit Buchstaben gekennzeichnet.

Bei der Erwärmung oder Abkühlung des Stahls entstehen an den Linien Haltepunkte, die die einzelnen Umwandlungen kennzeichnen. Die wichtigsten sind:

A₁ - Linie P-S-K, bezeichnet den Anfang der Umwandlung zwischen Ferrit und Austenit und Zerfall des Perlits bei 723 °C. Diese Linie wird auch Eutektoidlinie genannt, da hier bei Abkühlung das Eutektoid (Perlit) entsteht.
A₂ - bezeichnet den Verlust des Ferromagnetismus von Ferrit bei einer Erwärmung über 768 °C (Curiepunkt).
A₃ - Linie G-S, bezeichnet die vollständige Umwandlung Austenit-Ferrit untereutektoider Stähle.

Die Linie E-C-F wird Eutektische Linie genannt, da hier das Eutektikum, ein Mischgefüge aus Austenit, Zementit und Ledeburit oder Graphit entsteht.

Mit Hilfe des Eisen-Kohlenstoff-Diagrammes lassen sich beispielsweise einige Fragen zum unterschiedlichen Verhalten von Stahl (<2,06% C) und Gusseisen (>2,06% C) klären:

Stahl lässt sich Schmieden, weil er im weiten, homogenen Austenitbereich gut verformbar ist. Bei Gusseisen tritt dieses Verhalten nicht ein, weil die größeren Anteile von Kohlenstoff in Form von Graphit oder Ledeburit die Verformbarkeit erschweren und der Übergang in die Schmelze schroff ist.
Die Schmelztemperatur des reinen Eisens liegt bei 1536 °C, die Temperaturen der vollständigen Erstarrung (bzw. Beginn des Aufschmelzens) von Stahl (Linie A-H-J-E) und Gusseisen (Linie E-C-F bei 1147 °C) sind ebenfalls ablesbar. Der niedrigere Schmelzpunkt des Gusseisens ist eine der Ursachen, warum dieses besser und einfacher gießbar ist als Stahl.

Alle diese Eigenschaften machen das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zu einem wichtigen Werkzeug für die Beurteilung eines der am meisten verwendeten Werkstoffe.

Grobe Unterteilung

Schmelze
δ-Ferrit (Delta-Ferrit): kubisch raumzentrierte Kristallstruktur
Austenit: kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur
α-Ferrit (Alpha-Ferrit): kubisch raumzentrierte Kristallstruktur
Graphit (stabiles System) bzw. Zementit (Fe₃C; metastabiles System)

Bei Perlit und Ledeburit handelt es sich nicht um Phasen, sondern um besondere Phasengemische (Gefüge).

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