Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
Einleitung
In diesem aiMOOC geht es um das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm – eines der wichtigsten Phasendiagramme der Werkstoffkunde. Es stellt die verschiedenen Phasenzustände von Eisenlegierungen in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt und der Temperatur dar. Dieses Diagramm ist die Grundlage für die Wärmebehandlung von Stahl und hilft dabei zu verstehen, wann ein Werkstoff härtbar, schweißbar oder umformbar ist. Du lernst, wie das Diagramm aufgebaut ist, wie man es liest und warum es für Metallverarbeitung, Schmieden und Stahlerzeugung so bedeutsam ist.
Was ist das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm?
Definition
Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zeigt die Phasen und Gefügezustände von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen – insbesondere Stahl und Gusseisen – in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt (x-Achse) und der Temperatur (y-Achse).
- Temperaturbereich: bis ca. 1600 °C
- Kohlenstoffgehalt: 0 % bis ca. 6,67 % (Fe₃C = Zementit)
- Wichtig für Wärmebehandlung, Gefügeumwandlung, Legierungstechnik
Aufbau des Diagramms
Wichtige Linien und Punkte:
- Liquiduslinie: Grenze zwischen flüssiger und teils fester Phase
- Soliduslinie: Grenze zwischen teils flüssiger und fester Phase
- Gleichgewichtslinien: Zeigen Phasengleichgewichte
- Eutektoide Punkt: Ca. 0,8 % C, 723 °C – Bildung von Perlit
- Eutektischer Punkt: 4,3 % C, 1147 °C – Übergang flüssig zu Ledeburit
- Zementit: Intermetallische Verbindung (Fe₃C) mit 6,67 % C
Wichtige Gefügearten
Im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm tauchen verschiedene Gefügezustände auf:
- Ferrit: Weiches, kubisch-raumzentriertes α-Eisen, max. 0,02 % C
- Austenit: Kubisch-flächenzentriertes γ-Eisen, max. 2,06 % C
- Zementit: Hart und spröde, Fe₃C
- Perlit: Lamellenstruktur aus Ferrit und Zementit
- Ledeburit: Eutektische Mischung bei 4,3 % C
Bedeutung für die Wärmebehandlung
Das Diagramm ist die Grundlage für:
- Härten: Austenit wird bei schnellem Abschrecken zu Martensit
- Glühen: Spannungsabbau, Rekristallisation, Gefügeumwandlung
- Vergüten: Kombination aus Härten und Anlassen
- Schweißen: Wahl des Kohlenstoffgehalts für gute Schweißbarkeit
Durch gezieltes Erwärmen und Abkühlen können gezielt Mechanische Eigenschaften wie Härte, Zähigkeit und Festigkeit verändert werden.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was zeigt das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm? (Phasenzustände von Eisenlegierungen in Abhängigkeit von Temperatur und Kohlenstoffgehalt) (!Mechanische Belastbarkeit von Metallen) (!Elektrische Leitfähigkeit von Eisen) (!Magnetismus bei hohen Temperaturen)
Was ist der eutektoide Punkt im Diagramm? (0,8 % Kohlenstoff und 723 °C) (!4,3 % Kohlenstoff und 1147 °C) (!1,5 % Kohlenstoff und 950 °C) (!6,67 % Kohlenstoff und 700 °C)
Welcher Gefügezustand entsteht bei 0,8 % C und 723 °C? (Perlit) (!Ferrit) (!Martensit) (!Austenit)
Welche Linie trennt flüssige und teils feste Phasen? (Liquiduslinie) (!Soliduslinie) (!Glühgrenze) (!Diffusionsgrenze)
Was ist Zementit? (Eine intermetallische Verbindung mit 6,67 % Kohlenstoff) (!Ein besonders reiner Stahl) (!Ein Schweißzusatzstoff) (!Ein Verfahren zur Stahlreinigung)
Welche Phase ist kubisch-flächenzentriert und bei hohen Temperaturen stabil? (Austenit) (!Ferrit) (!Martensit) (!Perlit)
Was passiert beim Härten von Stahl? (Austenit wandelt sich bei schnellem Abkühlen in Martensit) (!Zementit wird abgeschmolzen) (!Ferrit verwandelt sich in Graphit) (!Gusseisen entsteht)
Welche Kohlenstoffmenge hat typischer Stahl? (Bis 2,06 % C) (!Mehr als 4,3 % C) (!Genau 6,67 % C) (!0 % C)
Was bezeichnet der eutektische Punkt im Diagramm? (Übergang von flüssig zu Ledeburit bei 4,3 % C) (!Entstehung von Perlit) (!Vollständige Verflüchtigung von Eisen) (!Glühpunkt von Martensit)
Warum ist das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm wichtig? (Es ist die Grundlage für Wärmebehandlungsprozesse) (!Es zeigt die elektrische Leitfähigkeit) (!Es ersetzt mechanische Prüfungen) (!Es hilft bei der Montage von Bauteilen)
Memory
| Eisen-Kohlenstoff-Diagramm | Phasendiagramm für Eisenlegierungen |
| Eutektoider Punkt | 0,8 % C, 723 °C |
| Perlit | Mischung aus Ferrit und Zementit |
| Austenit | Kubisch-flächenzentrierte Hochtemperaturphase |
| Härten | Umwandlung zu Martensit |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Grundlagen des EKD |
|---|---|
| Perlit | Eutektoides Gefüge bei 0,8 % C |
| Austenit | Hochtemperaturphase |
| Zementit | 6,67 % Kohlenstoff, Fe₃C |
| Liquiduslinie | Grenze zur vollständigen Schmelze |
| Martensit | Entsteht durch Abschrecken |
Kreuzworträtsel
| Austenit | Hochtemperaturphase im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm |
| Perlit | Gefüge aus Ferrit und Zementit |
| Zementit | Phase mit 6,67 % Kohlenstoff |
| Härten | Wärmebehandlung zur Erhöhung der Härte |
| Martensit | Entsteht durch schnelles Abschrecken |
| Ferrit | Weiche Eisenphase mit wenig Kohlenstoff |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Begriff erklären: Was ist das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm?
- Zahlen merken: Nenne die Werte für den eutektoiden Punkt.
- Gefügezuordnung: Welche Gefüge entstehen bei 0,8 % und bei 4,3 % Kohlenstoff?
Standard
- Diagramm beschreiben: Beschreibe den Aufbau des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms.
- Wärmebehandlung analysieren: Welche Phasen treten beim Härten auf?
- Gefügevergleich: Vergleiche Ferrit, Perlit und Austenit hinsichtlich Eigenschaften und Gefüge.
Schwer
- Diagramm interpretieren: Zeichne einen typischen Weg im Diagramm für das Härten eines 0,4 %-C-Stahls.
- Werkstoffauswahl begründen: Warum ist ein Stahl mit 0,2 % C gut schweißbar, aber schlecht härtbar?
- Industrielle Anwendung bewerten: Erkläre, wie das EKD bei der Entwicklung neuer Stahlsorten eingesetzt wird.
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Lernkontrolle
- Struktur-Eigenschaft-Zusammenhang: Warum verändert sich die Härte eines Stahls durch Umwandlung von Perlit zu Martensit?
- Temperaturführung erklären: Welche Temperaturbereiche sind bei der Wärmebehandlung relevant und warum?
- Legierungsbewertung: Wie beeinflusst der Kohlenstoffgehalt das Verhalten bei der Wärmebehandlung?
- Gefügebildung analysieren: Warum entsteht bei 0,8 % C ein anderes Gefüge als bei 0,4 % C?
- Praktischen Bezug herstellen: Wie nutzt ein Schmied das EKD zur gezielten Steuerung der Materialeigenschaften?
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