Stahl ($FeC$)

Reines Eisen besitzt bereits drei Phasen: die $\alpha$-Phase (Ferrit, bcc), die $\gamma$-Phase (Austenit, fcc) und bei hoher Temperatur eine weitere kubisch raumzentrierte $\delta$-Phase. Der Ferrit ist ferromagnetisch, Austenit hingegen nicht. Bei Zulegieren von Kohlenstoff erweitert sich der $\gamma$-Bereich stark, der $\alpha$-Bereich schließt sich. Dies liegt begründet in der Größe der Oktaederlücke (in der der Kohlenstoff sitzt) in beiden Strukturen: in $\alpha$-Fe ist sie nur $0.019 nm$ groß, hingegen in $\gamma$-Fe $0.052 nm$, so daß hier eine geringere Verzerrungsenergie aufgebracht werden muß.

Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt unter 2.97 at.% werden als unter-, mit höherem C-Gehalt als übereutektoide Stähle bezeichnet. Oberhalt von 9.06 at.% werden $FeC$-Legierungen nicht mehr als Stahl sondern als Gußeisen bezeichnet. Der eutektoide Zerfall wird als Perlitreaktion ( $\gamma \rightarrow \alpha + Fe_3C$) bezeichnet. Kühlt man sehr rasch ab, findet diese Umwandlung nicht statt; stattdessen wandelt sich das $\gamma$-Eisen in Martensit um. Die hierfür nötige Abkühlgeschwindigkeit erkennt man am einfachsten in einem sogenannten ZTU-(Zeit-Temperatur-Umwandlungs) Diagramm^3.2, Abb. (3.18), einer Auftragung mit Temperatur und Zeit als Achsen, in der Kurven konstanten Umwandlungsgrades (etwa Beginn, 50% und Ende der Transformation) eingezeichnet sind.

Abbildung: schematische Darstellung eines ZTU-Diagramms für einen eutektoiden Stahl

In isothermen Experimenten wird festgestellt, nach welcher Zeit die Umwandlungsreaktion beginnt, zu 50% oder vollständig abgeschlossen ist. Es gibt eine Temperatur, bei der die Reaktion am schnellsten abläuft, da

(a)

mit wachsender Unterkühlung die Reaktion beschleunigt wird,

(b)

aber bei zu starker Temperaturabsenkung die Diffusion sehr stark verlangsamt wird.

Damit erhält man im ZTU-Diagramm die charakteristische Perlitnase, die durch hinreichend schnelles Abkühlen / Abschrecken unterlaufen werden muß, um Martensit mit seiner hohen Härte zu erhalten (Stahlhärtung).

Reine Kohlenstoffstähle sind nur schwer härtbar, erst mit Zusatz von ternären Elementen wie Mo wird die Perlitreaktion so verlangsamt, daß auch dickere Proben härtbar sind. Der Martensit ist zunächst sehr spröde; ein Anlassen verringert diese Sprödigkeit, indem innere Spannungen abgebaut werden und ein Teil des im Martensit gelösten Kohlenstoffs als $Fe_3C$ ausgeschieden wird.

Weitere Legierungselemente im Stahl:

Mn,Si,Al:

Um Sauerstoff bei der Herstellung zu binden (Keine $CO$-Blasenbildung)

Ni,Co,Mn:

austenitsche Stähle, $\gamma$-Öffner

Mn:

''rostfreier Stahl'', Edelstahl $\gamma$-Bereich wird stark erweitert

Cr:

Korrosionsbeständigkeit (18 %Cr, 8 %Ni)

Cr,Mo,V,W:

Werkzeugstähle (ferritische) bessere Härtbarkeit Schnellarbeitsstähle (Werkzeugstähle)

18 %W:

(bildet Wolframkerbid)

5-9 at.%Ni:

Tieftemperaturstähle (keine Versprödung!)

Fe3wt%Si:

Transformatorblech, gute weichmagnetische Eigenschaften, günstige Textur

Fe36wt%Ni:

Invar (geringe thermische Ausdehnung)