Warum verbiegen sich manche Stähle, während andere brechen? Das Geheimnis liegt in ihrer Kristallstruktur. Dieser Artikel befasst sich mit den faszinierenden Unterschieden zwischen austenitischen, ferritischen, zementitischen und martensitischen Stählen. Sie erfahren, wie ihre einzigartigen atomaren Anordnungen ihre Festigkeit, Flexibilität und Härte beeinflussen, und erhalten Einblicke, die Ihr Verständnis von Materialwissenschaft und Technik verändern könnten. Machen Sie sich bereit, in die mikroskopische Welt einzutauchen, die die Werkzeuge und Strukturen formt, auf die wir uns jeden Tag verlassen.
Feste Stoffe in der Natur lassen sich in zwei Kategorien einteilen: kristallin und amorph.
Ein Kristall ist ein Festkörper mit einer regelmäßigen geometrischen Form, die durch den Prozess der Kristallisation entsteht. In einem Kristall sind die Atome oder Moleküle periodisch und wiederholt im Raum nach einer bestimmten Regel angeordnet.
Ein amorpher Festkörper hingegen entspricht einem Kristall mit unregelmäßig angeordneten Atomen oder Molekülen ohne Periodizität oder Symmetrie. Glas ist ein Beispiel für einen amorphen Feststoff.
Feste Metalle und Legierungen bestehen meist aus Kristallen. Die Kristallstruktur von Metallen und Legierungen ist einer der grundlegenden Faktoren, die ihre physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften bestimmen.
Eisen und Stahl sind Legierungssysteme mit Eisen und Kohlenstoff als Grundelementen.
Weiterführende Lektüre: Stahl gegen Eisen
Innerhalb des Fe-C-Systems, wenn die Kohlenstoffgehalt unter 0,02% liegt, wird das Material als Reineisen eingestuft. Liegt der Kohlenstoffgehalt über 2,0%, wird es als Roheisen bezeichnet, während der Bereich zwischen diesen beiden Grenzwerten als Stahl klassifiziert wird.
Reines Eisen oder Schmiedeeisen ist durch vier Kristallstrukturen gekennzeichnet: α, β, γ und δ. Drei dieser Strukturen, nämlich α, β und δ, weisen kubische Mittelstrukturen auf, während die vierte, c, eine kubische Flächenmittelstruktur hat.
Reines elementares Eisen kristallisiert bei 1538 ℃ und bildet eine kubische Kernstruktur, die als δ-Eisen bekannt ist. Bei Abkühlung auf 1394 ℃ wandelt es sich in eine kubisch-flächenzentrierte Struktur um, die als γ-Eisen bezeichnet wird. Eine weitere Abkühlung auf 912 ℃ führt zur Bildung einer kubischen Kernstruktur, die als α-Eisen bekannt ist.
Stahl hat vier Hauptphasen: AustenitFerrit, Zementit und Martensit.
Weiterführende Lektüre: Roheisen vs. Schmiedeeisen
Austenit ist eine Kohlenstoff-Zwischengitterverbindung in γ-Fe. Das Verhältnis von Fe-Atomen zu C-Atomen beträgt 27:1, was bedeutet, dass nur ein C-Atom in allen 6-7 kubisch flächenzentrierten Zellen vorhanden ist. Die Konzentration des in γ-Fe gelösten Kohlenstoffs beträgt 2,11% bei 1148℃ und 0,77% bei 727℃.
Der Austenit zeichnet sich dadurch aus, dass er Festigkeit und Härte sind im Vergleich zu Ferrit höher, während seine Plastizität und Zähigkeit besser sind. Außerdem ist sein Korn polygonal und seine Korngrenze ist gerader als bei Ferrit.
Ferrit ist eine feste Lösung von Kohlenstoff in α-Fe mit einem Kohlenstoffgehalt, der mit etwa 0,02% nahe an reinem Eisen liegt.
Ferrit weist ähnliche Eigenschaften wie reines Eisen auf, darunter eine geringe Festigkeit und Härte sowie eine gute Plastizität und Zähigkeit. Sein Mikrogefüge ist durch helle polygonale Körner gekennzeichnet.
Zementit ist eine Verbindung, die aus Eisen und Kohlenstoff im Verhältnis 3:1 besteht, bekannt als Fe3C. Er gehört zum orthogonalen Kristallsystem und hat eine komplexe Kristallstruktur. Jede Zelle des Zementits besteht aus 12 Fe-Atomen und 4 C-Atomen.
Zu den Eigenschaften von Zementit gehören hohe Härte, geringe Plastizität und Zähigkeit. Seine Werte für δ und Akk liegen nahe bei Null, und er weist eine hohe Sprödigkeit auf.
Wenn austenitischer Stahl auf eine Temperatur unter 150 °C abgeschreckt wird, wandelt er sich in Martensitder extrem hart ist. Martensit kann als ein übersättigter Mischkristall betrachtet werden, der aus 1,6% Kohlenstoff in α-Fe besteht und eine tetragonale Kristallstruktur aufweist.
Es gibt zwei Arten von Martensit: Martensit mit hohem Kohlenstoffgehalt (Lattenmartensit) und Martensit mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (Lamellenmartensit).
Martensit zeichnet sich dadurch aus, dass er hart und spröde ist, eine geringe Zähigkeit aufweist, große Eigenspannungund ist anfällig für Risse.
Die Stabilität der vier Phasen ist unterschiedlich. Ferrit und Zementit sind stabile Kristallformen bei Raumtemperatur, während Austenit bei hohen Temperaturen stabil ist.
Wenn Kohlenstoffstahl abgeschreckt wird, bildet er hauptsächlich Martensit, eine instabile Kristallform. Legierungsstähle mit unterschiedlichen Zusammensetzungen wie Mn, Ni und Cr können für verschiedene Zwecke hergestellt werden.
Nicht-Forscher in der Edelstahlindustrie sind hauptsächlich mit Austenit, Ferrit und Martensit konfrontiert, während Zementit seltener vorkommt.
Nichtrostender Stahl ist eine typische Legierung mit besonderen Eigenschaften, die durch Zugabe von Legierungsbestandteilen zur Grundphase erreicht werden.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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