Austenit, Ferrit, Perlit, Bainit, Martensit

Austenit

Definition: Eine feste Lösung von Kohlenstoff und Legierungselementen, gelöst in γ-Fe, wobei das flächenzentrierte kubische Gitter von γ-Fe erhalten bleibt.

Eigenschaften: Austenit ist das Gefüge von normalem Stahl bei hohen Temperaturen und existiert innerhalb eines bestimmten Temperatur- und Zusammensetzungsbereichs. Einige abgeschreckte Stähle behalten bis Raumtemperatur einen Teil des Austenits; dieser wird als Restaustenit bezeichnet. Austenit besteht im Allgemeinen aus gleichachsigen, polygonalen Körnern mit Zwillingsbildung innerhalb der Körner. Unmittelbar nach der Wärmeumwandlung sind die Austenitkörner relativ klein und weisen unregelmäßige, bogenförmige Korngrenzen auf. Nach einer gewissen Zeit des Erhitzens oder Haltens wachsen die Körner, und die Korngrenzen können sich begradigen. Im Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm ist Austenit eine Hochtemperaturphase, die oberhalb der kritischen A1-Temperatur existiert und durch die eutektoide Rückumwandlung von Perlit entsteht. Durch die Zugabe von ausreichend chemischen Elementen, die den Austenitphasenbereich erweitern, wie beispielsweise Nickel und Mangan, kann Austenit bei Raumtemperatur stabilisiert werden, wie in austenitischem Stahl.

Ferrit

Definition: Eine feste Lösung aus Kohlenstoff und Legierungselementen in α-Eisen. Eigenschaften: In untereutektoidem Stahl bildet sich bei langsamer Abkühlung massives Ferrit mit relativ glatten Korngrenzen. Nähert sich der Kohlenstoffgehalt der eutektoiden Zusammensetzung an, scheidet sich Ferrit entlang der Korngrenzen ab.

Zementit

Definition: Eine Verbindung aus Kohlenstoff und Eisen. Eigenschaften: Zementit ist gegenüber Salpetersäure-Alkohol-Lösungen korrosionsbeständig und erscheint unter dem Mikroskop hellweiß, wird jedoch von alkalischem Natriumpikrat angegriffen und erscheint unter dem Mikroskop schwarz. Zementit weist vielfältige Mikrostrukturen auf; in Stahl und Gusseisen kommt er zusammen mit anderen Phasen als plättchenförmige, körnige, netzartige oder lamellare Strukturen vor. In flüssigen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen ist der zuerst kristallisierende Zementit (primärer Zementit) blockig mit weichen Kanten. Eutektischer Zementit besitzt eine Skelettstruktur. Entlang der Acm-Linie ausgefällte Carbide während der Abkühlung von übereutektoidem Stahl (sekundärer Zementit) bilden ein Netzwerk, während eutektoider Zementit lamellar ist. Kühlen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen unter Ar1 ab, scheidet sich Zementit aus Ferrit aus (tertiärer Zementit) und erscheint als diskontinuierliche, dünne Plättchen auf dem sekundären Zementit oder an Korngrenzen.

Perlit

Definition: Perlit ist ein mechanisches Gemisch aus Ferrit und Zementit, das durch die eutektoide Reaktion in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen entsteht. Eigenschaften: Der Lamellenabstand von Perlit hängt vom Grad der Unterkühlung während der Austenit-Umwandlung ab. Je größer die Unterkühlung, desto geringer der Lamellenabstand des gebildeten Perlits. Perlitlamellen, die sich zwischen Ar1 und 650 °C bilden, sind relativ dick. Unter einem metallografischen Mikroskop lassen sich bei 400-facher Vergrößerung oder höher parallele, breite Ferritstreifen und dünne Zementitstreifen erkennen; dies wird als Grobperlit, Lamellenperlit oder einfach Perlit bezeichnet. Perlit, der sich bei 650–600 °C bildet, zeigt bei 500-facher Vergrößerung unter einem metallografischen Mikroskop lediglich eine schwarze Linie auf der Zementitschicht; die Lamellenstruktur ist erst bei 1000-facher Vergrößerung erkennbar. Dies wird als Sorbit bezeichnet. Perlit, der bei 600–550 °C entsteht, zeigt unter einem metallurgischen Mikroskop bei 500-facher Vergrößerung keine Perlitlamellen; es sind lediglich schwarze, kugelförmige Strukturen sichtbar. Die Lamellenstruktur lässt sich erst bei 10.000-facher Vergrößerung unter einem Elektronenmikroskop erkennen. Dieses Gestein wird als Troostit bezeichnet.

Oberbainit

Definition: Ein Gemisch aus übersättigtem, nadelförmigem Ferrit und Zementit, wobei Zementit zwischen den Ferritnadeln eingelagert ist. Eigenschaften: Ein Phasenumwandlungsprodukt von unterkühltem Austenit bei mittleren Temperaturen (350–550 °C). Seine typische Morphologie ist ein Bündel annähernd paralleler Ferritlamellen mit einer Orientierungsdifferenz von 6–8°, zwischen denen entlang ihrer Längsachse kurze Karbidstäbe oder kleine Plättchen verteilt sind. Typischerweise ist oberer Bainit federartig, wobei die Korngrenzen die Symmetrieachse bilden. Aufgrund unterschiedlicher Orientierungen können die Federn symmetrisch oder asymmetrisch sein. Ferritfedern können nadel-, punkt- oder blockförmig sein. In hochkohlenstoffhaltigem, hochlegiertem Stahl sind die nadelartigen Federn nicht deutlich sichtbar; in mittelkohlenstoffhaltigem, mittellegiertem Stahl sind sie deutlicher zu erkennen; in niedrigkohlenstoffhaltigem, niedriglegiertem Stahl sind die Federn sehr deutlich und die Nadeln grob. Bei der Umwandlung bildet sich zunächst oberer Bainit an den Korngrenzen und wächst in die Körner hinein, ohne jedoch in die Körner einzudringen.

Unterbainit

Definition: Wie oben, jedoch mit in Ferritnadeln eingelagertem Zementit. Eigenschaften: Ein Umwandlungsprodukt von unterkühltem Austenit bei 350 °C. Seine typische Morphologie ist bikonvexer, linsenförmiger Ferrit mit übersättigtem Kohlenstoff, in dem unidirektional angeordnete Karbidlamellen verteilt sind. Innerhalb der Körner erscheint er nadelförmig; die Nadeln kreuzen sich nicht, können sich aber schneiden. Im Gegensatz zu angelassenem Martensit, der deutlich abgegrenzte Schichten aufweist, besitzt Unterbainit eine einheitliche Farbe. Die Karbidpartikel im Unterbainit sind gröber als die im angelassenen Martensit, wodurch er korrosionsanfälliger ist und sich schwarz verfärbt. Angelassener Martensit hingegen ist heller und weniger korrosionsanfällig. Hochkohlenstoffhaltiger, hochlegierter Stahl weist eine höhere Karbiddispersion und feinere Nadeln auf als niedrigkohlenstoffhaltiger, niedriglegierter Stahl.

Granulares Bainit

Definition: Ein mehrphasiges Gefüge, das durch zahlreiche kleine Inseln in großen oder streifenförmigen Ferriten gekennzeichnet ist; ein Umwandlungsprodukt von unterkühltem Austenit im oberen Bereich der Bainit-Umwandlungstemperatur. Im Anfangsstadium besteht es aus blockartigem Ferrit, der durch das Verschmelzen von streifenförmigem Ferrit und kleinen, inselförmigen, kohlenstoffreichen Austenit entsteht. Während der weiteren Abkühlung kann der kohlenstoffreiche Austenit vollständig als Restaustenit erhalten bleiben; er kann sich aber auch teilweise oder vollständig in ein Gemisch aus Ferrit und Zementit (Perlit oder Bainit) zersetzen; am wahrscheinlichsten wandelt er sich teilweise in Martensit um und bleibt teilweise erhalten, wodurch ein zweiphasiges Gemisch, die sogenannte MA-Struktur, entsteht.

karbidfreies Bainit

Definition: Ein Mikrogefüge aus lamellenförmigen Ferritphasen, auch als ferritischer Bainit bekannt. Eigenschaften: Die Bildungstemperatur liegt im oberen Bereich der Bainit-Umwandlungstemperatur. Zwischen den lamellenförmigen Ferritpartikeln bildet sich kohlenstoffreicher Austenit, der bei der anschließenden Abkühlung eine ähnliche Umwandlung durchläuft. Karbidfreier Bainit findet sich typischerweise in kohlenstoffarmen Stählen, bildet sich aber auch leicht in Stählen mit hohem Silizium- und Aluminiumgehalt.

Martensit

Definition: Eine übersättigte feste Lösung von Kohlenstoff in α-Eisen. Eigenschaften: Lamellenmartensit besteht aus feinen Martensitstreifen annähernd gleicher Größe, die parallel angeordnet sind und Martensitbündel oder Martensitdomänen bilden. Zwischen den Domänen besteht ein großer Orientierungsunterschied; innerhalb eines einzelnen Austenitkorns können sich mehrere Domänen mit unterschiedlicher Orientierung bilden. Aufgrund der hohen Bildungstemperatur von Lamellenmartensit tritt beim Abkühlen zwangsläufig Selbstanlassung auf, wodurch sich Carbide im gebildeten Martensit ausscheiden und dieser anfällig für Korrosion und Verfärbung wird.

Nadelmartensit, auch Plättchenmartensit oder kohlenstoffreicher Martensit genannt, zeichnet sich durch Folgendes aus: Die erste Martensitplatte, die sich innerhalb eines Austenitkorns bildet, ist relativ groß und durchdringt oft das gesamte Korn. Dadurch wird das Austenitkorn geteilt und die Größe des nachfolgend gebildeten Martensits begrenzt. Daher variiert die Größe des Plättchenmartensits und seine Verteilung ist unregelmäßig. Nadelmartensit bildet sich in einer spezifischen Orientierung. Innerhalb der Martensitnadeln ist ein Grat vorhanden; je höher der Kohlenstoffgehalt, desto ausgeprägter ist dieser Grat und desto schärfer ist der Martensit. Zwischen den Martensitpartikeln findet sich außerdem weißer Restaustenit.

Leedsburite

Definition: Ein eutektisches Gemisch aus Austenit und Zementit. Eigenschaften: Dendritischer Austenit ist in einer Zementitmatrix verteilt.

gehärteter Martensit

Definition: Ein Gemisch aus extrem feinen Übergangsmetallcarbiden und übersättigter (kohlenstoffarmer) α-Phase, das durch die Zersetzung von Martensit entsteht. Eigenschaften: Es bildet sich durch Anlassen von Martensit bei 150–250 °C. Diese Struktur ist sehr korrosionsanfällig. Unter dem Lichtmikroskop erscheint sie als dunkle, nadelförmige Struktur (die die Orientierung des abgeschreckten Martensits beibehält), die dem unteren Bainit sehr ähnlich ist. Nur unter einem hochauflösenden Elektronenmikroskop sind die extrem feinen Carbidpartikel sichtbar.

Temperierte Komfortseite

Definition: Ein Gemisch aus Carbiden und α-Phase. Eigenschaften: Es entsteht durch Anlassen von Martensit bei mittlerer Temperatur (350–500 °C). Sein Mikrogefüge ist durch extrem feine, körnige Carbide in einer Ferritmatrix gekennzeichnet. Die nadelförmige Morphologie verschwindet allmählich, ist aber noch schwach erkennbar. Die Carbide sind unter dem Lichtmikroskop nicht zu unterscheiden; es ist lediglich eine dunkle Struktur sichtbar. Nur unter dem Elektronenmikroskop lassen sich die beiden Phasen klar unterscheiden, und die Carbidpartikel zeigen ein deutliches Wachstum.

Gehärtetes Sorbit

Definition: Eine Ferritmatrix mit gleichmäßig verteilten Karbidpartikeln. Eigenschaften: Sie entsteht durch Anlassen von Martensit bei hoher Temperatur (500–650 °C). Ihr Mikrogefüge ist durch eine mehrphasige Struktur aus gleichachsigem Ferrit und feinkörnigen Karbiden gekennzeichnet. Die Spuren der Martensitlamellen sind verschwunden, und die Morphologie des Zementits ist relativ deutlich, aber unter dem Lichtmikroskop noch schwer zu erkennen. Unter dem Elektronenmikroskop erscheinen die Zementitpartikel größer.

Kugelförmiger Perlit

Definition: Besteht aus Ferrit und körnigen Carbiden. Eigenschaften: Durch Kugelglühen gewonnen, liegt Zementit in kugelförmigen Strukturen auf einer Ferritmatrix vor. Die Größe der Zementitkugeln hängt vom Kugelglühprozess, insbesondere von der Abkühlgeschwindigkeit, ab. Kugelperlit lässt sich in vier Typen unterteilen: grobe Kugeln, Kugeln, feine Kugeln und punktförmiges Perlit.

Widmanstätten-Struktur

Definition: Sind die Austenitkörner relativ grob und die Abkühlgeschwindigkeit geeignet, kann die proeutektoide Phase in nadelförmiger (lamellarer) Form vorliegen, vermischt mit lamellarem Perlit, was als Widmanstätten-Struktur bezeichnet wird.

Eigenschaften: In untereutektoidem Stahl weist das Ferrit im Widmanstätten-Gefüge lamellenartige, federartige oder dreieckige Formen auf. Grobkörniges Ferrit ist parallel oder dreieckig angeordnet. Es tritt an den Austenitkorngrenzen auf und wächst in die Körner hinein. In übereutektoidem Stahl besitzt der Widmanstätten-Zementit eine nadel- oder stabförmige Morphologie und befindet sich innerhalb der Austenitkörner.