Definition der Gefügebestandteile

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Definition der Gefügebestandteile

Die genaue Definition der Gefügebestandteile und Phasen und deren Beschreibung ist eine eigene Wissenschaft, die Metallographie. Zwei Metallographen können, da es sich um eine Erfahrungswissenschaft handelt, trefflich über die genaue Gefügezusammensetzung einer Probe streiten. Worüber Sie sich aber nicht Streiten sollten ist die genaue Bezeichnung und Definition der Gefügebestandteile. Dies ist aber leider nicht so, da hier nicht immer Einigkeit der Bezeichnung der Gefügebestandteile existiert. So kann es sein das der eine Metallograph Sorbit sagt und der andere feinstlamellarer Perlit, und beide meinen das gleiche und verstehen was anderes.

Aus diesem Grunde und um alle Missverständnisse zu vermeiden die bei der Interpretation von Fachbegriffen entstehen, habe ich mir die Mühe gemacht aus unterschiedlichen Literaturstellen und Normen einen Glossar über die Wortbedeutungen der einzelnen Fachbegriffe der Werkstoffprüfungen, der Wärmebehandlungsverfahren und weiterer Bedeutungen der Stahlindustrie mit Ihren Definitionen, zu erstellen. Die in diesem Glossar angegebenen Definitionen stammen aus den relevanten DIN EN ISO Normen und aus Fachbüchern und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit, werden aber ständig ergänzt.
Diesen Glossar können Sie bei mir kostenlos anfordern, unter - info@arnold-horsch.de


Samuels erläutert in seinem Buch Light Microscopy of Carbon Steels[1] z.B. den Begriff Sorbite, nachfolgend der Auszug:

  • Der Begriff Sorbite wurde ursprünglich von Howe für eine rubinfarbene, aciculare[2] Verbindung vorgeschlagen von der Sorby berichtet hatte, die möglicherweise "Silicium oder ein Nitrid von Titan" war. Osmond hat später dann zu Ehren von Sorby die feine, unaufgelöste Struktur Sorbite genannt, auf die im ISI Report[3] verwiesen wird.
  • Heyn und Bauer haben den Namen "Sorbit" für das Gesamtgefüge des abgeschreckten und dann auf Temperaturen oberhalb von 400°C erwärmten Stahles vorgeschlagen, diese Bezeichnung ist allgemein angenommen worden[4].


Wer sich mit der Metallographie der Eisen- und Stahlwerkstoffe befasst, sollte die relevanten Werke der vorgenannten gelesen und verstanden haben, ohne dieses Verständnis wird es immer wieder zu Fehlinterpretationen, Missdeutungen und Falschbezeichnungen kommen, alle wichtigen Bücher sind in den Literaturangaben in den verschiedenen Kapiteln der Metallographie aufgeführt.

Persönliche Anmerkung

Das Falsche wiederholen und anwenden von Fachbegriffen der Metallographie (auch in Fachbüchern) außerhalb der Gefügedefinitionen und Gefügebeschreibungen macht diese nicht richtiger. Die wesentlichen Standardwerke der Metallographie und der Gefügedefinitionen und Gefügebeschreibungen werden leider kaum noch gelesen bzw. sind offenbar gar nicht bekannt, anders lassen sich manche Gefügebeschreibungen nicht erklären. Lesen kann bekanntlich weiterhelfen, was aber nicht weiter hilft ist das weitergeben falscher Fachbegriffe. Die folgende Literatur sollte unbedingt gelesen werden, wenn Metallographie und Gefügebeurteilungen an Eisen und Stahl durchgeführt werden [1] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [4].

Was ist das Gefüge

Im Werkstoff hier Stahl und Eisen vorhandene spezifische gewünschte oder nicht gewünschte Strukturzusammensetzung aus den verschiedenen Gefügebestandteilen, wie Ferrit, Perlit, Martensit, Bainit, Austenit, Restaustenit, Carbiden und anderen Phasen.

Definition der einzelnen Gefügebestandteile

Alle nachfolgenden Definitionen und Beschreibungen stammen aus Standardwerken der Metallographie, die entsprechenden Gefügebilder wurden diesen Werken entnommen soweit ich keine eigenen Bilder hatte. Die genaue Bezeichnung der Gefügebestandteile wurde in Abstimmung mit den folgenden Literaturstellen

  • Floris Osmond, MICROSCOPIC ANALYSIS OF METALS, CHARLES Griffin & COMPANY,Limited , London, 1904 [5]
  • Leonard Ernest Samuels, Light Microscopy of Carbon Steels, ASM International, 1999[1]
  • DE FERRI METALLOGRAPHIA, Band 1-5, Verschieden Autoren, Presse Academiques Europeennes S.C., Bruxelles[6]
  • Dipl. Ing. Kurt Walczok, Lexikon der Begriffe der Eisen- und Stahlindustrie mit Definitionen und Erklärungen, Herausgegeben von der Beratungsstelle für Stahlverwendung in Zusammenarbeit mit dem VDEH, 2. Auflage 1974 [8]
  • Dr. Heinrich Hanemann, Angelica Schrader, Atlas Metallographicus, Band 2, Gußeisen, Verlag Gebr. Bornträger, Berlin, 1936[10]
  • DIN EN ISO 4885, Eisenwerkstoffe - Wärmebehandlung - Begriffe[11]

durchgeführt.

Weiterhin habe ich die englischen Definitionen aus der, ASTM E7, Standard Terminology Relating to Metallography[9], übernommen.

Weitere Literaturstellen entnehmen Sie den Einzelnachweisen.

Ausferrit

Feinkörniges Gemisch aus Ferrit und stabilisiertem Austenit, das die hohe Festigkeit und Duktilität von bainitischem Gusseisen mit Kugelgraphit (ADI) bewirkt.[11]

GGG70-Bainit -1000x.jpg

Austenit

Austenit oder γ-Mischkristall

Metallographische Bezeichnung für die γ (Gamma) Phase. Feste Lösung (Mischkristall) eines oder mehrerer Elemente im γ-Eisen. Stabiler Zustand des reinen Eisens zwischen 911 und 1392°C[5] [8] [11].
ANMERKUNG 1 Seine Kristallstruktur ist kubisch-flächenzentriert.
ANMERKUNG 2 Er ist paramagnetisch.

Austenit.jpg

ASTM Definition[9]
austenite — a face-centered cubic solid solution of carbon or other elements in gamma iron.

α-Mischkristall

Siehe Ferrit

α-Eisen

Siehe Ferrit

ASTM Definition[9]
alpha iron (Fe)—solid phase of pure iron which is stable at temperatures below 910°C and possesses the body-centered cubic lattice. It is ferro-magnetic below 768°C.

Bainit

Bainit (benannt nach dem US-amerikanischen Metallurgen Edgar C. Bain) Alte Bezeichnung Zwischenstufe [6] [8] [11] Metastabiler Gefügebestandteil, der bei der Umwandlung des Austenits in einem Temperaturintervall gebildet wird, das zwischen den Temperaturbereichen der Perlit- und Martensitbildung liegt. Er besteht aus an Kohlenstoff übersättigtem Ferrit, wobei der Kohlenstoff zum Teil in Form feiner Carbide ausgeschieden ist. Man unterscheidet:

  • Oberer Bainit, der sich im oberen Bereich des oben angegebenen Temperaturintervalls bildet. Vickershärte 350-450 HV [11]
  • Unterer Bainit, der sich im unteren Bereich des oben angegebenen Temperaturintervalls bildet. Vickershärte 450-550 HV [11]

ANMERKUNG [6]

  • Bainit der im oberen Teil des Bainit-Umwandlungsbereichs gebildet wurde, erscheint in Form von vergleichsweise groben Ferritnadeln, zwischen denen Carbidfilme ausgeschieden sind;
  • Bainit der im unteren Teil des Bainit-Umwandlungsbereichs gebildet wurde, hat nadelförmige Ferritzellen, in denen sich Karbidausscheidungen finden.
  • Liegt kein reiner Bainit vor, sondern nur kleine Mengen eingebettet in Martensit, ist Bainit im Lichtmikroskop nicht einfach zu erkennen. Liegt er eingebettet zwischen Martensitnadeln oder Perlit vor, braucht es ein geübtes Auge lichtmikroskopisch die richtige Bestimmung durchzuführen.

Unterer-Bainit-1.jpg Unterer-Bainit-2.jpg Oberer-Bainit-1.jpg Oberer-Bainit-2.jpg[6]

ASTM Definition[9]
upper, lower, intermediate — metastable microstructure or microstructures resulting from the transformation of austenite at temperatures between those which produce pearlite and martensite. These structures may be formed on continuous (slow) cooling if the transformation rate of austenite to pearlite is much slower than that of austenite to bainite. Ordinarily, these structures may be formed isothermally at temperatures within the above range by quenching austenite to a desired temperature and holding for a period of time necessary for transformation to occur. If the transformation temperature is just below that at which the finest pearlite is formed, the bainite (upper bainite) has a feathery appearance. If the transformation temperature is just above that at which martensite is produced, the bainite (lower bainite) is acicular, resembling slightly tempered martensite. At the higher resolution of the electron microscope, upper bainite is observed to consist of plates of cementite in a matrix of ferrite. These discontinuous carbide plates tend to have parallel orientation in the direction of the longer dimension of the bainite areas. Lower bainite consists of ferrite needles containing carbide platelets in parallel array cross-striating each needle axis at an angle of about 60°. Intermediate bainite resembles upper bainite; however, the carbides are smaller and more randomly oriented.

Carbid / Carbide

Chemische Verbindung von Eisen und/oder anderen Elementen mit Kohlenstoff. In der Metallographie wird das Carbid bildende Element dem Wort Carbid vorangestellt. Vanadincarbid, Eisencarbid usw.[8].

  • Eisencarbid (Fe3C), wird in Eisen- und Stahllegierungen Zementit genannt
  • Vanadiumcarbid (VC) bildet sich in vanadiumhaltigen Stahllegierungen, es ist eines der (thermisch) stabilsten Sondercarbide
  • Chromcarbid (Cr3C2)bildet sich in Chromhaltigen Eisen- und Stahllegierungen, es ist ein wichtiges Carbid zur Verschleissfestigkeitssteigerung in Werkzeugstählen und Hartmetallen
  • Wolframcarbid (WC) bildet sich in Wolframhaltigen Stahllegierungen, es ist eines der (thermisch) stabilsten Sondercarbide, es ist auch eines der wichtigsten Karbide bei der Hartmetallherstellung
  • Titancarbid (TiC), wird als Beschichtungsmaterial für Wendeschneidplatten, Fräswerkzeuge, Räumnadeln, Formwerkzeuge, Sägeblätter, etc. verwendet. Weitere Verwendung findet Titancarbid im allgemeinen Werkzeugbau und in der chemischen Industrie als wesentlicher Bestandteil der Sinter-Werkstofffamilie Ferro-Titanit[12] bzw. allgemein als Bestandteil von rost- und säurebeständigen Stählen und Hartmetallen. So ist es mit bis zu 4 % Bestandteil der Hartmetalle der Gruppe K, bis zu 10 % in Hartmetallen der Gruppe M und bis zu 43 % in der Gruppe P. Titancarbid erhöht die Warmfestigkeit, Härte und Oxidationsbeständigkeit.

ASTM Definition[9]
carbide—a compound of carbon with one or more elements, which, in customary formulation, are considered as being more positive than carbon.

CLT - Compound layer thickness

Bei einer thermochemischen Behandlung entstandene Oberflächenschicht, die aus den chemischen Verbindung(en) besteht, die während der Behandlung aus dem oder den eindiffundierten Element(en) und bestimmten Elementen des Grundwerkstoffes gebildet wurde(n). Alte Bezeichnung VS-Verbindungsschicht neue Bezeichnung, DIN EN ISO 15787, CLT = Compound layer thickness[13].


BEISPIEL Die Oberflächenschicht kann die beim Nitrieren gebildete Nitridschicht, die beim Borieren gebildete Boridschicht oder die beim Chromieren gebildete Chromcarbidschichtschicht sein.
ANMERKUNG Im englischen Sprachgebrauch wird die Benennung „white layer“ unzutreffend für die Bezeichnung dieser Schicht auf nitrierten und nitrocarburisierten Eisenwerkstoffen verwendet.
AUSWERTUNG die Bestimmung der CLT nach dem Nitrieren erfolgt nach DIN 30902[14]


CLT-42CrMo4-1000x.jpg[15] Borier-1.jpg[15]

ε-Karbid

Karbid des Eisens entsprechend der Näherungsformel Fe 2-4 C

EisenKarbid

Chemische Verbindung von Eisen und Kohlenstoff mit der Strukturformel Fe3C. Als Gefügebestandteil wird das Eisencarbid Zementit genannt, siehe Zementit.[8]

δ-Ferrit (Eisen)

Stabiler Zustand des reinen Eisens zwischen 1392 °C und seinem Schmelzpunkt[8].
ANMERKUNG 1 Seine Kristallstruktur ist kubisch-raumzentriert, gleich der des α-Eisens

ANMERKUNG 2 Es ist paramagnetisch.

Bei austenitischen Stählen kann δ-Ferrit auch bei Raumtemperatur vorhanden.

Delta-Ferrit-1.jpg[16]

ASTM Definition[9]
delta iron (δ Fe)—solid phase of pure iron which is stable at temperatures between 1400 and 1539°C and possesses the body-centered cubic lattice. Strictly, there is no difference between delta and alpha iron.

Eisensulfid

Chemische Verbindung von Eisen und Schwefel mit der Strukturformel FeS.

ASTM Definition[9]

Eisenoxid

Chemische Verbindung von Eisen und Sauerstoff. Beim Eisen kommen drei verschiedene Oxide vor:

  • Wüstit (FeO)
  • Magnetit (Fe3O4)
  • Hämatit (Fe2O3).

Ferrit

Metallographische Bezeichnung für die Mischkristalle des α-Eisens mit anderen Elementen. α-Eisen, stabiler Zustand des reinen Eisens bei Temperaturen unterhalb 911 °C[5] [8] [11].

Ferrit.jpg

  • ANMERKUNG 1 Seine Kristallstruktur ist kubisch-raumzentriert.
  • ANMERKUNG 2 Es ist ferromagnetisch bei Temperaturen unterhalb 768 °C (Curie-Punkt).

ASTM Definition[9]
ferrite—designation commonly assigned to alpha iron containing alloying elements in solid solution. Increasing carbon content markedly decreases the high-temperature limit of equilibrium.

γ-Eisen

Siehe Austenit.

γ-Mischkristall

Siehe Austenit

Graphit

Reiner Kohlenstoff im Gefüge einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung., es wird unterschieden zwischen folgenden Graphitausbildungen:

  • lamellarer Graphit - vorhanden im, Gusseisen mit lamellarem Graphit, Grauguß genannt (GJL)[15]
  • globularer Graphit - Gusseisen mit Kugelgraphit, Sphäroguss genannt (GJS)[15]
  • vermicularer Graphit - Gusseisen mit Vermiculargraphit auch Wurmgraphit (GJV)
  • Temperkohle - Gusseisen mit Temperkohle, Temperguß genannt (z.B.GJMW-350-4)

GJL.jpg GJS.jpg GJV.jpg Temperkohle.jpg

ASTM Definition[9]
graphite,flake—an irregularly shaped body, usually appearing as long curved plates of graphitic carbon such as found in gray cast irons.

Hämatit

Fe2O3 Eisenoxid - Chemische Verbindung von Eisen und Sauerstoff.

Hardenit

Von Howe wurde Hardenit als das Gefüge bezeichnet das die Härte erzeugt, später hat Osmond dann zu Ehren von Martens Hardenite in Martensite umbenannt[5].
Als Hardenite wird auch die selten auftretende feinste Ausbildungsform des fast strukturlosen Martensits bezeichnet, der insbesondere nur bei höheren C-Gehalten, 0,9% und darüber, entsteht. Die scheinbar strukturlose Grundmasse(Bild) läßt sich nach mehrmaligem Polieren und Ätzen als feinnnadeliger Martensit zwischen den feinen Carbiden erkennen[17].
Hardenite-500x.jpg

Knochencarbide

Sogenannte Knochencarbide können beim Aufkohlen bei erhöhtem C-Pegel in der Ofenatmosphäre entstehen, sie bilden sich bevorzugt auf den Korngrenzen und Kornzwickeln und haben das aussehen von Knochenartigen Gebilden. Auch nicht aufgelöste aber eingeformte Karbidnetzwerke können das aussehen von Knochencarbide annehmen.

Knochencarbide, entstanden durch Überkohlung beim Einsatzhärten[15] Knochencarbide, nicht aufgelöstes Primärcarbidnetzwerk[15]
Knochencarbid-2.jpg 100CR6-Knochen.jpg

Korngrenzenzementit

Metallographische Bezeichnung für den in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit unter 0,02% Kohlenstoff bevorzugt an den Korngrenzen der Ferritkristalle ausgeschiedenem Tertiärzementit, Bildung entlang der Linie P-Q im Eisen-Kolenstoff-Schaubild[8], auch der in übereutektoidischen Stählen auf den ehemaligen Austenitkorngrenzen in Netzform vorhandene Sekundärzementit wird als Korngrenzenzementit bezeichnet.

Ledeburit

Ledeburit wurde nach seinem Entdecker, dem Metallurgen Karl Heinrich Adolf Ledebur (1837–1906), benannt[8]. Gefüge einer Eisenkohlenstoff-Legierung, das durch eutektische Umwandlung entsteht und aus Austenit und Zementit besteht. Gefügeart (oder –bestandteil) bestehend aus einem Gemenge aus Austenit und Eisencarbid, die bei verhältnismäßig kohlenstoffreichen Eisenwerkstoffen unmittelbar nach der Erstarrung der Schmelze vorhanden ist. Der Austenitanteil des Ledeburits wandelt sich im Laufe der Abkühlung in andere Gefügebestandteile z.B. Perlit um die Carbide bleiben jedoch erhalten.

ASTM Definition[9]
ledeburite—intimate mixture of austenite and cementite in metastable equilibrium, formed on rapid cooling during the eutectic reaction in alloys of iron and carbon containing greater than 2 percent but less than 6.67 percent carbon. Further slow cooling causes decomposition of the austenite into ferrite and cementite (pearlite) as a result of the eutectoid reaction.

Ledeburit 1

Ledeburit oberhalb von 723°C aus einem Gemenge aus Austenit und Eisencarbid.

Magnetit

Fe3O4 Eisenoxid - Chemische Verbindung von Eisen und Sauerstoff

Mangansulfit

Chemische Verbindung von Mangan und Schwefel mit der Strukturformel MnS.

Martensit

Die Bezeichnung Martensit ehrt einen Pionier der Metallkunde Prof. Adolf Martens, Ihm zu Ehren hat Osmond[5] diesen Gefügebestandteil von Hardenite in Martensite umbenannt.

Mit Martensit (früher auch Hardenite) bezeichnete man früher alle Gefüge aus nadelförmigen Platten, die durch Abschrecken von Stählen entstanden sind[5] [8] [11]. Diese Gefüge hatten mechanisch gesehen den Vorteil, eine besonders hohe Härte zu besitzen. Man hat inzwischen festgestellt, dass dieser Umwandlungsvorgang auch in anderen Legierungen als den Stählen auftritt, ohne dass gleichzeitig ein Anstieg der Härte erfolgt. Übrigens ist selbst bei Stählen der Martensit nicht besonders hart, wenn der Kohlenstoffgehalt niedrig ist. So sieht man heute eine hohe Härte nicht mehr als charekteristisch für Martensit an, obwohl die Härte ursprünglich die Aufmerksamkeit auf diesen Gefügebestandteil gelenkt hat. Daher bezeichnet man als Martensit nicht mehr einen besonderen Gefügebestandteil, sondern die Produkte einer bestimmten Umwandlung im festen Zustand, unabhängig von der Legierungszusammensetzung ihrer Struktur oder Ihren Eigenschaften. Diese Umwandlung heißt Martensitumwandlung[6].

Aktuelle Definition für Eisenwerkstoffe nach DIN EN ISO 4885:2015-09 - Entwurf[11] Phase, die in kohlenstoffhaltigen Stählen durch schnelles Abkühlen des Austenits gebildet wird, wobei die hohe Geschwindigkeit des Abkühlens verhindert, dass ausreichend Kohlenstoffatome aus dem Kristallgefüge diffundieren können, um Zementit (Fe3C) zu bilden. In Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt von > 0,10 % wird gewöhnlich Plattenmartensit gebildet. Der Plattenmartensit ist üblicherweise hart und spröde. In Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt < 0,10 % wird gewöhnlich Lanzettmartensit gebildet. Lanzettmartensit weist üblicherweise eine gute Festigkeit auf.

ANMERKUNG Martensit ist eine metastabile feste Lösung von tetragonal-raumzentrierter Struktur.

Metallographische Bezeichnung für eine Gefügeart, die bei schneller Abkühlung aus dem Austenit entsteht, wenn es sich nicht um hochlegierten Austenit-Mischkristall handelt (siehe Restaustenit). Die Umwandlung des Austenits in den Martensit erfolgt nicht durch Diffusion sondern durch einen Umklappvorgang, der zur Folge hat, dass das kubisch-raumzentrierte Gitter der Alpha-Phase in der Richtung etwas verzerrt, tetragonal aufgeweitet wird. Vickershärte >550HV

Gefügemodifikationen des Martensits[6] [18]

Abhängig von der Temperatur und dem Legierungsgehalt (insbesondere dem Kohlenstoffgehalt) entstehen unterschiedliche Gefügemodifikationen des Martensits im Werkstoff.

Lanzettmartensit Der Lanzettmartensit (auch Latten-, Block- oder kohlenstoffarmer Massivmartensit genannt, im englischen lath martensite, entsteht bei höheren Temperaturen (an Temperaturen näher an der Martensitstarttemperatur) und geringeren Kohlenstoffgehalten von etwa 0,4–0,5 % C, in untereutektoiden Stählen. Er besteht aus abgeflachten Lanzetten, die dicht nebeneinander zu Schichten und dann schichtweise zu massiven Blöcken gepackt sind. Er ist vorherrschend in unlegierten und niedriglegierten Stählen mit weniger als 0,4 % C zu finden, aber auch in Legierungen aus Eisen mit < 25 % Nickel. Charakteristisch ist die Ausbildung in Form von Paketen aus parallelen < 1 µm breiten Lanzetten, ohne Restaustenit zurückzulassen. Ein Gefüge aus 100 % Lanzettmartensit entsteht nur, wenn der Kohlenstoffgehalt unter maximal 0,3 % liegt.

Lanzettmartensit weist eine hohe Versetzungsdichte auf (bis zu 1012 cm−2) und ist deutlich besser verformbar als der Plattenmartensit, da er bei höheren Temperaturen entsteht und damit die durch das Gitterumklappen entstandenen elastischen Verspannungen durch Gleit- und Erholungsmechanismen besser abbauen kann.

Plattenmartensit Der Plattenmartensit (auch nadelförmiger, nadeliger, verzwillingter Martensit genannt, im englischen plate martensite oder twinned martensite, entsteht bei niedrigeren Temperaturen und höheren Kohlenstoffgehalten von etwa 0,8–1 % C, also beispielsweise in übereutektoiden Stählen. Der Martensit wächst hier nicht in Lanzett-, sondern in Plattenform, bei der die Platten nicht parallel aufgeschichtet, sondern unter verschiedenen Winkeln zueinander stehen. In den Zwischenräumen verbleibt Restaustenit.

Die Platten werden einerseits durch die Korngrenzen des Austenits, und andererseits durch die schon bei höheren Temperaturen entstandenen Platten am Wachstum gehindert, so dass die neu entstehenden Platten mit der Zeit immer kürzer werden, und den Raum immer dichter benetzen. Die mittlere Länge der Platten bewegt sich dabei zwischen einem Viertel und einem Drittel der ursprünglichen Austenitkorngröße.

Der Plattenmartensit ist weniger gut verformbar als der Lanzettmartensit, weil bei tieferen Temperaturen der primäre Mechanismus der plastischen Umformung nicht Gleit- und Erholungsvorgänge sind, sondern die Bildung von Zwillingen.

Mischmartensit Im Bereich zwischen dem Lanzett- und dem Plattenmartensit, also zwischen etwa 0,5–0,8 % C, entsteht eine Zwischenform, der Mischmartensit.

ASTM Definition[9]
martensite—metastable phase resulting from the diffusionless athermal decomposition of austenite below a certain temperature known as the Ms temperature (martensite start temperature). It is produced during quenching when the cooling rate of a steel, in the austenitic condition, is such that the pearlite and bainite, or both, transformation is suppressed. The composition of the martensite is identical with that of the austenite from which it transformed. Hence, martensite is a super-saturated solid solution of carbon in alpha iron (ferrite) having a body-centered tetragonal lattice. It is a magnetic plate-like constituent formed by a diffusionless shear type of transformation. These plates may appear needle-like or veriform in cross-section. martensitic—a plate-like constituent having a similar appearance and mechanisms of formation to that of martensite.

Nichtmetallische Einschlüsse

Makroskopische oder mikroskopische Einschlüsse im Stahl, die aus den bei der Stahlerschmelzung verwendeten feuerfesten Stoffen und der metallurgischen Schlacke herrühren und chemisch und mineralogisch entsprechend zusammengesetzt sind oder die Verbindungen von Eisen-; Desoxidations- oder Legierungselementen mit Stahlbegleitstoffen insbesondere in Form von Oxiden und Sulfiden, darstellen[8]. Die wichtigsten nichmetallischen Einschlüsse im Stahl sind:

  • Sulfide
    • Mangansulfid
    • Eisensulfid
  • Oxyde
    • Aluminiumoxyd
  • Nitride
  • Silicate

Die Größe und Verteilung nichtmetallischer Einschlüsse werden im Stahl üblicherweise mittels Richtreihen bestimmt, dies sind z.B. ASTM E45, DIN EN 10247, JIS G 0555

Al2O3-Schlacke.jpg

ASTM Definition[9]
inclusions—foreign material held mechanically, usually referring to non-metallic particles, such as oxides, sulfides, silicates, etc.

Nitrid

Verbindung von Stickstoff und Eisen und nitridbildenden Legierungselementen.
ANMERKUNG In Abhängigkeit vom Stickstoffanteil werden mehrere Nitride unterschieden. Hinsichtlich der Eigenschaften eines nitrierten Werkstückes sind die ferritischen α- und γ’-Nitride von besonderer Bedeutung.

Oxyde

Siehe nichtmetallische Einschlüsse

ASTM Definition[9]
oxide type inclusions—oxide compounds occurring as nonmetallic inclusions in metals usually as a result of deoxidizing additions. In wrought products, that is, steel, they may occur as a “stinger” formation composed of distinct granular or crystalline appearing particles.

Perlit

Die Bezeichnung "Perlit" ist eine Ableitung des Englischen Wortes "pearl", welches die Bedeutung der Perlmutter hat, da dieses Gefüge gestreift wie eine Muschel ist. Dieses Gefüge aus Ferrit und Zementit entsteht beim Austenitzerfall am Punkt "S" bei 723°C und einem Kohlenstoffgehalt von 0,8% im Austenit[5][6][8][11].

Metallographische Bezeichnung für das Eutektoid im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm mit 0,8% Kohlenstoff das aus sehr Kohlenstoffarmen α - Mischkristall und Zementit besteht, die in Form von mehr oder weniger dicht nebeneinander liegenden feinen Lamellen angeordnet sind. Perlit ist einer der Gefügebestandteile, die bei der Umwandlung von Austenit im Verlauf der langsamen Abkühlung entstehen können (bei entsprechender chemischen Zusammensetzung des Stahles).

  • Perlit mit groben lamellen (grob lamellarer Perlit) - Bezeichnung für ein Gefüge aus Perlit, der so groblamellar ist, dass er Lichtmikroskopisch auch bei niedrigen Vergrößerungen (ca. 100:1) auflösbar ist. Vickershärte 200 HV
  • Perlit lamellar (lamellarer Perlit) - Bezeichnung für ein Gefüge aus Perlit, der so lamellar ist, dass er Lichtmikroskopisch, bei einer Vergrößerung von ca. 500:1, auflösbar ist.
  • Perlit mit feinen lamellen (feinlamellarer Perlit) - Bezeichnung für ein Gefüge aus Perlit, der so feinlamellar ist, dass er Lichtmikroskopisch, bei einer Vergrößerung von 1000:1, kaum auflösbar ist. Im Deutschen fälschlicherweise als Troostit[8] bezeichnet, diese Bezeichnung ist falsch [1][5] und sollte nicht mehr verwendet werden, siehe Troostit. Vickershärte 250 HV.
  • Perlit mit feinsten lamellen (feinstlamellarer Perlit)- Bezeichnung für ein Gefüge aus Perlit, der so feinstlamellar ist, dass er Lichtmikroskopisch, bei einer Vergrößerung von 1000:1, nicht mehr auflösbar ist. Im Deutschen fälschlicherweise als Sorbit[8] bezeichnet, diese Bezeichnung ist falsch[1][5] und sollte nicht mehr verwendet werden. Vickershärte 400 HV

Nach DIN EN ISO 4885 wird nur zwischen zwei Perlitarten unterschieden:

Perlit-1.jpg

  • globularer Perlit
    Sollte als Begriff nicht mehr verwendet werden wurde erstzt durch den Begriff Sphäroidit.
    Mikrogefüge aus kugelförmigen Zementitteilchen in einer Ferrit-Matrix. Es entsteht bei Wärmebehandlung mit geeignet erhöhter Temperatur aus Perlit, Bainit oder Martensit und ist vergleichsweise weich. Siehe auch Sphäroidit[11].
  • in der TGL 15477-03 der DDR [19], wird in der Richtreihe 14 der Lamellenabstand des Perlits bei einer Vergrößerung von 500:1 wie folgt unterschieden-
    • MPG 1 = bis 0,3 µm
    • MPG 2 = über 0,3 bis 0,8 µm
    • MPG 3 = über 0,8 bis 1,3 µm
    • MPG 4 = über 1,3 bis 1,6 µm
    • MPG 5 = über 1,6µm

Perlit bis 0,3.jpg Perlit 0,3-0,8.jpg Perlit 0,8-1,3.jpg Perlit 1,3-1,6.jpg Perlit über1,6.jpg

ASTM Definition[9]
pearlite—a metastable microstructure formed, when local austenite areas attain the eutectoid composition, in alloys of iron and carbon containing greater than 0.025 percent but less than 6.67 percent carbon. The structure is an aggregate consisting of alternate lamellae of ferrite and cementite formed on slow cooling during the eutectoid reaction. In an alloy of given composition, pearlite may be formed isothermally at temperatures below the eutectoid temperature by quenching austenite to a desired temperature (generally above 550°C) and holding for a period of time necessary for transformation to occur. The interlamellar spacing varies directly with the transformation temperature; that is, the higher the temperature the greater the spacing.

  • pearlite colony—a circumscribed aggregate within which lamellae of corresponding phases have the same orientation.
  • pearlite nodule—cluster of wedge-shaped pearlite colonies.
  • pearlitic structure—a microstructure resembling that of the pearlite constituent in steel, therefore, a lamellar type of structure of varying degrees of coarseness.

Phosphit / Steadit

In der Metallographie wird das Phosphor bildende Element dem Wort Phosphit vorangestellt. Eisenphosphit usw.. Im Grauguß ist Eisenphosphit sehr gut zu erkennen, als Eisen-Phosphor-Eutektikum, siehe Steadit.

ASTM Definition[9]
steadite—(1) ternary eutectic found in alloys of iron, carbon and phosphorus. In cast irons it consists of austenite, cementite and iron phosphide or austenite and ironphosphide. If conditions are such that carbon is deposited as cementite, the three constituents of the eutectic are present. If, however, the carbon is deposited as graphite, that precipitated from the ternary eutectic crystallizes on existing flakes and the eutectic consists of two constituents only, namely, austenite and iron-phosphide. (2) Binary eutectic found in alloys of iron and phosphorus consisting of ferrite and iron-phosphide.

Primärzementit

Siehe Zementit

Restaustenit

Metallographische Bezeichnung für nicht umgewandelten Austenit, der nach Abkühlung von der Austenitisierungstemperatur bei umwandlungsfähigen Stählen noch vorhanden ist.

Durch schnelles Abkühlen (Abschrecken) oder durch isothermische Umwandlung bei genügend tiefer Temperatur kann eine gewisse Menge Restautenit im Gefüge auftreten. So enthalten Bainit- und Martensitgefüge häufig einen Anteil von nicht umgewandelten Austenit. In Kohlenstoffstählen ist dieser Anteil gewöhnlich gering mit Ausnahme von sehr kohlenstoffreichen Stählen. In Stählen mit gelösten, metallischen Substitutionselementen kann der Restaustenitanteil groß sein.[6]

Die metallographische Bestimmung des Restaustenitgehaltes ist lt.[20] erst ab einem Gehalt von >14% sicher möglich. Sehr geübte Metallographen können bei bekannten Werkstoffen und Wärmebehandlungsprozessen möglicherweise bereits Restaustenitgehalte ab 12% im Mikroskopbild erkennen. Lt. George F. Vander Voort einem der wichtigsten amerikanischen Metallographen [21][22] kann Restaustenit im Lichtmikroskop erst ab einem Gehalt von 12-15% gesehen werden, wenn er mit XRD (X-ray diffraction) bestätigt wurde. Daraus ist der Umkehrschluss zu treffen, daß bei sichtbarem Restaustenit üblicherweise ein Mindestgehalt von >12-15% vorhanden ist.

  • in der TGL 15477-02 der DDR [16], wird in der Richtreihe 12 der Restaustenitgehalt wie folgt unterschieden-
    • MUM 1 = Restaustenitgehalt bis 10%
    • MUM 2 = Restaustenitgehalt über 10 bis 30%
    • MUM 3 = Restaustenitgehalt über 30%

RA-10%.jpg RA-10-30%.jpg RA-30%.jpg

σ - Phase

Die Sigma-Phase ist eine Eisen-Chrom-Verbindung, die sich bei Stählen mit Chromgehalten über rd. 16% bei langsamem Abkühlen von Temperaturen über 900°C im Temperaturbereich zwischen 600 bis 800°C bildet.

Sekundärmartensit

Martensit, der sich bei Sekundärhärtung bildet.

Sekundärzementit

Siehe Zementit

Sorbit

Sorbit ist ein Gefüge des Stahls, benannt wurde er nach Henry Clifton Sorby dem Begründer der Metallographie.[5]
Heyn und Bauer haben den Namen "Sorbit" für das Gesamtgefüge des abgeschreckten und dann auf Temperaturen oberhalb von 400°C erwärmten Stahles vorgeschlagen, diese Bezeichnung ist allgemein angenommen worden[4].
Sorbit entsteht durch Anlassen des Martensits. Die nadelförmigen Martensit-Kristallite zerfallen dabei in ein feinstes Gemisch von Teilchen aus Ferrit und Zementit. Die ursprünglichen martensitischen Korngrenzen bleiben erhalten und somit auch das nadelförmige Strukturbild. Die einzelnen Teilchen sind jedoch lichtmikroskopisch kaum auflösbar. Sorbit erscheint daher im Gegensatz zum buntschimmernden Perlit und braunen (in sehr guten Mikroskopen auch bunten) Troostit im lichtmikroskopischen Hellfeld schwarz. Die Eigenschaften Sorbits ähneln denen des Bainits, reiner Sorbit hat eine nadelige Struktur[10] [4] [23].

Sorbit-2.jpg[10] Sorbit.jpg[4]

Manchmal wird auch der bei der entsprechenden Abkühlgeschwindigkeit direkt entstehende feinste Perlit als Sorbit bezeichnet, veraltete Bezeichnung für ein Gefüge aus Perlit, der so feinstlamellar ist, dass er Lichtmikroskopisch kaum auflösbar ist. Diese Bezeichnung sollte, für lamellaren Perlit, nicht mehr verwendet werden.[8]

ASTM Definition[9]
sorbite-an aggregate of carbide and ferrite produced by tempering martensite at temperatures in the vicinity of 600°C and which may be resolved readily at relatively low magnification (for example, 5003). (Contemporary) With reference to tool steels, an aggregate of carbide and ferrite produced by cooling at a rate too slow for martensite formation and too fast for pearlite formation. [9]

Sphäroidit

Mikrogefüge aus kugelförmigen Zementitteilchen in einer Ferrit-Matrix. Es entsteht bei Wärmebehandlung mit geeignet erhöhter Temperatur aus Perlit, Bainit oder Martensit und ist vergleichsweise weich[11]. Wird auch GKZ Gefüge, Weichglühgefüge genannt.

Anmerkung Wird auch globularer Perlit genannt.

Gkz1-g.jpg[24] Gkz3-g.jpg[24]

ASTM Definition[9]
spheroidite—a coarse aggregate of carbide and ferrite usually produced by tempering martensite at temperatures slightly below the eutectoid temperature. Generally, any aggregate of ferrite and large spheroidal carbide particles no matter how produced. [9]

Steadit

Als Steadit (oder Phosphiteutektikum) bezeichnet man ein ternäres Eutektikum bestehend aus den drei Elementen Eisen, Phosphor und Kohlenstoff (90,71 % Fe + 6,89 % P + 2,4 % C bei 950 °C). In der Regel gilt Steadit als ein Gefügefehler im Gusseisen[7]. In der Metallographie wird das Phosphor bildende Element dem Wort Phosphit vorangestellt. Eisenphosphit usw.. Im Grauguß ist Eisenphosphit sehr gut zu erkennen, als Eisen-Phosphor-Eutektikum.

Steadit-3.jpg[10] P-Eutektikum-1.jpg[19]

ASTM Definition[9]
steadite
(1) ternary eutectic found in alloys of iron, carbon and phosphorus. In cast irons it consists of austenite, cementite and iron phosphide or austenite and ironphosphide. If conditions are such that carbon is deposited as cementite, the three constituents of the eutectic are present. If, however, the carbon is deposited as graphite, that precipitated from the ternary eutectic crystallizes on existing flakes and the eutectic consists of two constituents only, namely, austenite and iron-phosphide.
(2) Binary eutectic found in alloys of iron and phosphorus consisting of ferrite and iron-phosphide. [9]

Sulfit

Chemische Verbindung von Schwefel und/oder anderen Elementen mit Schwefel. In der Metallographie wird das Sulfit bildende Element dem Wort Sulfit vorangestellt. Mangansulfit, Eisensulfit usw..

MnS.jpg

ASTM Definition[9]
sulfide-type inclusions—in steels, nonmetallic inclusions composed essentially of manganese iron sulfide solid solutions (Fe, Mn) S. They are characterized by plasticity at hot-rolling and forging temperatures and, in the hot worked product, appear as dove gray elongated inclusions varying from a threadlike to oval outline. Selenide type inclusions may behave similarly. [9]

Tertiärzementit

Ausscheidung aus dem Ferrit Linie P-Q im Eisen-Kohlenstoff-Schaubild. Siehe auch Korngrenzenzementit.

Troostit

Rosettenförmiger kristallisierter Perlit in Martensit.

Troostit liegt meistens in rosettenförmiger Anordnung vor und ist lichtmikroskopisch nur bei sehr hohen Vergrößerungen aufzulösen. Er entsteht bei einer Abkühlgeschwindigkeit die etwas kleiner als die kritische Abkühlgeschwindigkeit ist, es entsteht ein Gefüge das häufig nach der Ätzung in Form dunkler fächerförmiger Flecken (Rosetten) in einer martensitischen Grundmasse vorliegt. Dieser Bestandteil ist bekannt unter dem Namen Troostit und ist nichts anderes als ein sehr feiner Perlit in Rosettenförmiger Anordnung. [5][6]

Veraltete Bezeichnung für ein Gefüge aus feinstlamellaren Perlit, der so feinlamellar ist, dass er Lichtmikroskopisch nich auflösbar ist. Diese Bezeichnung sollte, für lamellaren Perlit, nicht mehr verwendet werden.[8]

  • Bild - C45 -500:1, Erwärmt auf 940°C, 10 sek., an Luft, dann in Wasser abgeschreckt. Martensit, Restaustenit und Rosettenförmig kristallisierter Perlit (Troostit)

Troostit.jpg

ASTM Definition[9]
troostite—a previously unresolvable, fine aggregate of carbide and ferrite produced by tempering martensite at temperatures in the vicinity of 400°C. Term variously and erroneously applied to bainite and nodular fine pearlite. Confusion arose because of similarity in appearance among the three structures before the advent of high-power microscopy. (Contemporary). With reference to tool steels, synonymous with upper bainite.

VS Verbindungsschicht

Verbindungsschicht, veraltete Bezeichnung. Siehe CLT = Compound layer thickness

Vergütungsgefüge

Gefüge das nach dem Vergüten (Härten und Anlassen bei hohen Temperaturen) entsteht, besteht aus hoch angelassenem Martensit.

Vergütungsgefüge.jpg
C45 - 500:1 Vergütungsgefüge, Vergütet, 840°C in Wasser gehärtet, 600°C 0,5h angelassen, Vergütungsgefüge mit angelassenem Martensit (Sorbit) + Bainit

Wüstit

FeO Eisenoxid - Chemische Verbindung von Eisen und Sauerstoff.

Zementit

Karbid des Eisens, entsprechend der Zusammensetzung Fe3C (siehe Eisenkarbid). Es wird unterschieden zwischen 3 Zementitarten die in reinen FE-C Legierungen auftreten können[8] [11]-

  • Primärzementit
    • Zementit der sich direkt aus der Schmelze abscheidet, bei Kohlenstoffgehalten von über 4,3%, Bildung entlang der Linie C-D im Eisen-Kohlenstoff-Schaubild.
  • Sekundärzementit
    • Zementit der sich aus dem Austenit (γ-Mischkristall) abscheidet, bei Kohlenstoffgehalten über 0,8% bis 2,06%, Bildung als Korngrenzenzementit entlang der Linie E-S, bei Gehalten von 2,06 bis 4,3%, Bildung entlang der Linie E-C, im Eisen-Kohlenstoff-Schaubild.
  • Tertiärzementit
    • Zementit der sich aus dem Ferrit(α-Mischkristall) abscheidet bei Kohlenstoffgehalten bis 0,02 %, Bildung entlang der Linie P-Q im Eisen-Kohlenstoff-Schaubild.
      Tertiärzementit-2.jpg[25]

ASTM Definition[9]
cementite—a very hard and brittle compound of iron and carbon corresponding to the empirical formula Fe3C. It is commonly known as iron carbide and possesses an orthorhombic lattice. In “plain-carbon steels” some of the iron atoms in the cementite lattice are replaced by manganese, and in “alloy steels” by other elements such as chromium or tungsten. Cementite will often appear as distinct lamellae or as spheroids or globules of varying size in hypo-eutectoid steels. Cementite is in metastable equilibrium and has a tendency to decompose into iron and graphite, although the reaction rate is very slow.[9].

Zunder

Schicht, die während einer Warmumformung oder Wärmebehandlung in nicht geschützter Atmosphäre entsteht[8].
ANMERKUNG Üblicherweise ist der Zunder eine Oxidschicht und wird durch Abstrahlen oder Beizen entfernt.
CF53-Entkohlt-N-500x-Zunder-1.jpg

Tabelle der Fe-C-Phasen

In der DIN EN ISO 4885 sind einige Gefügebestandteile genau definiert worden, an diese Bezeichnungen sollte sich gehalten werden. Es sollten keine anderen Bezeichnungen für diese Gefügebestandteile verwendet werden. Tabelle 1 — DIN EN ISO 4885:2017-07(D)[11]
ISO 4885-Gefüge Tab.1.jpg

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Leonard Ernest Samuels, Light Microscopy of Carbon Steels, ASM International, 1999
  2. Acicular
  3. Report of ISI Committee in Nomenclature in Metallography, J. Iron Steel Institute, 1902, 61, 90 - International Statistical Institute
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 Dr. Heinrich Hanemann, Angelica Schrader, Atlas Metallographicus, Band 1, Verlag Gebr. Bornträger, Berlin, 1933
  5. 5,00 5,01 5,02 5,03 5,04 5,05 5,06 5,07 5,08 5,09 5,10 5,11 Floris Osmond, MICROSCOPIC ANALYSIS OF METALS, CHARLES Griffin & COMPANY,Limited , London, 1904
  6. 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 6,7 6,8 6,9 DE FERRI METALLOGRAPHIA, Band 1-5, Verschieden Autoren, Presse Academiques Europeennes S.C., Bruxelles
  7. 7,0 7,1 Dr. Sc. Hermann Schumann et. al., Metallographie,11. Auflage, VEB Fachbuchverlag für Grundstoffindustrie, Leipzig
  8. 8,00 8,01 8,02 8,03 8,04 8,05 8,06 8,07 8,08 8,09 8,10 8,11 8,12 8,13 8,14 8,15 8,16 8,17 8,18 Dipl. Ing. Kurt Walczok, Lexikon der Begriffe der Eisen- und Stahlindustrie mit Definitionen und Erklärungen, Herausgegeben von der Beratungsstelle für Stahlverwendung in Zusammenarbeit mit dem VDEH, 2. Auflage 1974
  9. 9,00 9,01 9,02 9,03 9,04 9,05 9,06 9,07 9,08 9,09 9,10 9,11 9,12 9,13 9,14 9,15 9,16 9,17 9,18 9,19 9,20 9,21 9,22 9,23 9,24 9,25 9,26 ASTM E7, Standard Terminology Relating to Metallography
  10. 10,0 10,1 10,2 10,3 10,4 Dr. Heinrich Hanemann, Angelica Schrader, Atlas Metallographicus, Band 2, Gußeisen, Verlag Gebr. Bornträger, Berlin, 1936
  11. 11,00 11,01 11,02 11,03 11,04 11,05 11,06 11,07 11,08 11,09 11,10 11,11 11,12 11,13 DIN EN ISO 4885, Eisenwerkstoffe - Wärmebehandlung - Begriffe, Beuth Verlag GmbH, Berlin
  12. F. Frehn: Neue Korrosions- und Verschleißfeste, bearbeitbare Hartstoffe: Ferro-Titanit für die chemische Technik. In: Materials and Corrosion. Band 30, Nr. 12, Dezember 1979, S. 870–872
  13. DIN ISO 15787, Technische Produktdokumentation - Wärmebehandelte Teile aus Eisenwerkstoffen - Darstellung und Angaben, Beuth Verlag GmbH, Berlin
  14. DIN 30902 Lichtmikroskopische Bestimmung der Dicke und Porigkeit der Verbindungsschichten nitrierter und nitrocarburierter Werkstücke, Beuth Verlag GmbH, Berlin
  15. 15,0 15,1 15,2 15,3 15,4 15,5 Arnold Horsch, Seminar Metallographie in der Praxis, Teil 1, Arnold Horsch e.K., Remscheid
  16. 16,0 16,1 TGL 15477-02, Oktober 1975,Fachbereichsstandard, Metallographische Bestimmung des Gefüges von Gußwerkstoffen auf Eisen-Kohlenstoff-Basis
  17. H.Klemm, Die Gefüge des Eisen-Kohlenstoff-Systems, Seite 27, Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig, 1962
  18. https://de.wikipedia.org/wiki/Martensit, 2017.01.24
  19. 19,0 19,1 TGL 15477-03, Oktober 1975,Fachbereichsstandard, Metallographische Bestimmung des Gefüges von Gußwerkstoffen auf Eisen-Kohlenstoff-Basis
  20. Auswertevorschrift der Lagerindustrie bei Kugeln aus 100Cr6, für die Luftfahrt
  21. George F. Vander Voort, Editor + Trustee, ASM Metals Handbook, Metallography and Microstructures, 2004 Rev. of Vol 9, 2001-2004, ISBN: 978-0-87170-706-2
  22. George F. Vander Voort, persönliche Email Korrespondenz, 18-25. Dezember 2016
  23. https://de.wikipedia.org/wiki/Sorbit_(Stahl), 30.12.2016
  24. 24,0 24,1 http://www.metallograf.de/start.htm, 05.06.2017
  25. Dietrich Horstmann, Das Zustandsschaubild Eisen Kohlenstoff, Verlag Stahleisen, 5. Auflage, 1985