Gleichgewichtdiagramm in der Stahlmetallurgie: Einblicke in Mikrostruktur und Eigenschaften

Definition und Grundkonzept

Ein Gleichgewichtsdiagramm in der Stahleinmetallurgie ist eine grafische Darstellung, die die stabilen Phasen und ihre Zusammensetzungen im thermodynamischen Gleichgewicht über einen Bereich von Temperaturen und Zusammensetzungen zeigt. Es ist ein grundlegendes Werkzeug, das verwendet wird, um die Phasenstabilität, Transformationen und mikrostrukturelle Evolution in Stahlsystemen zu verstehen.

Auf atomarer und kristallographischer Ebene basiert ein Gleichgewichtsdiagramm auf thermodynamischen und phasengleichgewichtlichen Prinzipien. Es veranschaulicht die Energieschichten der verschiedenen Phasen und zeigt, welche Phase die Gibbs freie Energie des Systems unter bestimmten Temperatur- und Zusammensetzungsbedingungen minimiert. Die Phasen sind durch ihre einzigartigen atomaren Anordnungen, Gitterstrukturen und Bindungsarten charakterisiert, welche ihre Stabilität und Transformationswege bestimmen.

In der Werkstoffwissenschaft dienen Gleichgewichtsdiagramme als wesentliche Referenzen für die Gestaltung von Wärmebehandlungen, Legierungszusammensetzungen und Verarbeitungsvorgängen. Sie ermöglichen es Metallurgen, die Phasenbildung, mikrostrukturelle Bestandteile und deren Stabilität vorherzusagen, was letztlich die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Stahl beeinflusst.

Physikalische Natur und Eigenschaften

Kristallographische Struktur

Die in einem Gleichgewichtsdiagramm dargestellten Phasen besitzen verschiedene kristallographische Strukturen. Zum Beispiel zeigt Ferrit (α-Eisen) ein raumzentriertes kubisches (BCC) Gitter mit einer Gitterkonstanten von etwa 2.866 Å bei Raumtemperatur, charakterisiert durch eine einfache kubische Anordnung von Eisenatomen. Austenit (γ-Eisen) hingegen hat eine flächenzentrierte kubische (FCC) Struktur mit einer Gitterkonstanten von etwa 3.58 Å, mit Atomen, die an jeder Würfelfläche und Ecke angeordnet sind.

Karbidphasen wie Zementit (Fe₃C) zeigen orthorhombische Kristallsymmetrie, mit komplexen atomaren Anordnungen, bei denen Kohlenstoffatome die interstitiellen Plätze im Eisengitter einnehmen. Die atomaren Anordnungen beeinflussen die Phasenstabilität, Diffusionswege und Transformationsmechanismen.

Kristallographische Orientierungsbeziehungen, wie die Kurdjumov–Sachs- oder Nishiyama–Wassermann-Beziehungen, beschreiben, wie Elterngitter und Produktphasen relativ zueinander während Transformationen orientiert sind. Diese Beziehungen sind entscheidend für das Verständnis mikrostruktureller Merkmale wie Martensitlappen oder bainitischen Faserstrukturen.

Morphologische Merkmale

Die Mikrostrukturen, die den Gleichgewichtsphasen entsprechen, zeigen charakteristische Morphologien. Ferrit erscheint typischerweise als gleichmäßig geformte, weiche und duktilen Körner mit Größen von einigen Mikrometern bis zu mehreren Millimetern, abhängig von den Bearbeitungsbedingungen. Austenit, als Hochtemperaturphase, wird normalerweise als homogene Matrix in wärmebehandeltem Stahl beobachtet.

Zementit manifestiert sich als nadelartige oder lamellenartige Niederschläge, die häufig in perlitschen Strukturen gebildet werden. Diese Karbide können von Nanometern bis Mikrometern in der Größe variieren und sind entlang der Korngrenzen oder innerhalb der ferritischen Körner verteilt.

Die dreidimensionale Konfiguration variiert: Ferritkörner sind grob gleichmäßig geformt, Zementitniederschläge können Lamellen oder Spheroide bilden, und Phasen wie Martensit (nicht eine Gleichgewichtsphase, aber relevant bei Transformationen) erscheinen als Lappen- oder Plattenstrukturen. Unter optischer oder Elektronenmikroskopie weisen diese Phasen deutliche Kontraste, Formen und Verteilungsmuster auf.

Physikalische Eigenschaften

Die physikalischen Eigenschaften, die mit Gleichgewicht-Mikrostrukturen assoziiert sind, unterscheiden sich erheblich von anderen Bestandteilen. Ferrit hat eine niedrige Dichte (~7.87 g/cm³), hohe elektrische Leitfähigkeit und ist paramagnetisch. Austenit, als FCC, zeigt eine ähnliche Dichte, ist aber bei Raumtemperatur nicht magnetisch und hat eine höhere Duktilität.

Zementit ist eine harte, spröde Phase mit hoher Härte (~700 HV) und niedriger elektrischer Leitfähigkeit. Ihre Wärmeleitfähigkeit ist moderat, erhöht jedoch erheblich die gesamte Härte und Festigkeit des Stahls.

Die magnetischen Eigenschaften variieren: Ferrit ist ferromagnetisch, während Austenit je nach Temperatur paramagnet