Was ist die Mikrostruktur von Kohlenstoffstahlstangen?

Stäbe aus Kohlenstoffstahl werden aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften und relativ geringen Kosten häufig in verschiedenen Branchen eingesetzt. Als Lieferant von Kohlenstoffstahlstangen treffe ich häufig auf Kunden, die neugierig auf die Mikrostruktur von Kohlenstoffstahlstangen und deren Auswirkungen auf die Leistung der Produkte sind. In diesem Blogbeitrag werde ich mich mit der Mikrostruktur von Kohlenstoffstahlstäben befassen und die Schlüsselphasen und deren Einfluss auf die Materialeigenschaften erläutern.

Grundzusammensetzung von Kohlenstoffstahlstäben

Kohlenstoffstahl besteht hauptsächlich aus Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C) sowie geringen Mengen anderer Elemente wie Mangan (Mn), Silizium (Si), Schwefel (S) und Phosphor (P). Der Kohlenstoffgehalt in Kohlenstoffstahl liegt typischerweise zwischen 0,05 % und 2,11 %. Die Menge des vorhandenen Kohlenstoffs beeinflusst maßgeblich die Mikrostruktur und die Eigenschaften des Stahls.

Mikrostrukturelle Phasen in Kohlenstoffstahlstäben

Ferrit

Ferrit ist eine reine Form von Eisen mit einer kubisch raumzentrierten Kristallstruktur (BCC). Es weist eine relativ geringe Kohlenstofflöslichkeit auf, mit einem Maximum von etwa 0,022 % Kohlenstoff bei 727 °C. Ferrit ist eine weiche und duktile Phase, das heißt, es lässt sich leicht verformen, ohne zu brechen. In der Mikrostruktur von Stäben aus kohlenstoffarmem Stahl erscheint Ferrit oft als große, helle Körner. Das Vorhandensein von Ferrit trägt zur guten Formbarkeit und Schweißbarkeit von Kohlenstoffstahlstäben bei.

Zementit

Zementit ist eine intermetallische Verbindung mit der chemischen Formel Fe₃C. Es enthält 6,67 % Kohlenstoff und hat eine orthorhombische Kristallstruktur. Zementit ist extrem hart und spröde. Es bildet kleine, dunkel gefärbte Partikel oder Lamellen in der Mikrostruktur von Kohlenstoffstahl. Der Zementitanteil im Stahl nimmt mit dem Kohlenstoffgehalt zu. In Stäben aus Kohlenstoffstahl kann ein erheblicher Anteil an Zementit den Stahl zwar hart machen, ihn aber auch anfälliger für Risse unter Belastung machen.

Perlit

Perlit ist eine zweiphasige Mikrostruktur, die aus abwechselnden Schichten aus Ferrit und Zementit besteht. Es entsteht, wenn der Stahl langsam aus Austenit auf eine Temperatur von etwa 727 °C abgekühlt wird. Perlit hat eine charakteristische Lamellenstruktur, die unter dem Mikroskop beobachtet werden kann. Die mechanischen Eigenschaften von Perlit liegen zwischen denen von Ferrit und Zementit. Es bietet eine gute Kombination aus Festigkeit und Duktilität. Der Perlitanteil im Gefüge hängt vom Kohlenstoffgehalt des Stahls ab. Beispielsweise besteht bei einem eutektoiden Stahl (mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,77 %) die Mikrostruktur vollständig aus Perlit.

Die Austenite

Austenit ist eine kubisch flächenzentrierte (FCC) feste Lösung von Kohlenstoff in Eisen. Es ist bei hohen Temperaturen stabil, bei einfachen Kohlenstoffstählen typischerweise über 727 °C. Austenit hat eine hohe Kohlenstofflöslichkeit, was die Bildung unterschiedlicher Mikrostrukturen beim Abkühlen ermöglicht. Wenn der Stahl auf den austenitischen Bereich erhitzt und dann mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abgekühlt wird, können je nach Abkühlgeschwindigkeit und Kohlenstoffgehalt unterschiedliche Mikrostrukturen wie Ferrit, Perlit, Bainit oder Martensit erhalten werden.

Einfluss der Mikrostruktur auf die Eigenschaften von Kohlenstoffstahlstäben

Stärke

Die Festigkeit von Kohlenstoffstahlstäben hängt eng mit ihrer Mikrostruktur zusammen. Im Allgemeinen führt eine Erhöhung der Menge harter Phasen wie Zementit und Martensit (eine sehr harte und spröde Phase, die durch schnelles Abkühlen entsteht) zu einer Erhöhung der Festigkeit. Beispielsweise sind Stäbe aus kohlenstoffreichem Stahl mit einem erheblichen Anteil an Zementit und Perlit stärker als Stäbe aus kohlenstoffarmem Stahl mit einem höheren Anteil an Ferrit. Allerdings geht die Erhöhung der Festigkeit oft auf Kosten der Duktilität.

Duktilität

Unter Duktilität versteht man die Fähigkeit eines Materials, sich plastisch zu verformen, bevor es bricht. Ferrit ist die duktilste Phase in Kohlenstoffstahl. Stäbe aus kohlenstoffarmem Stahl, deren Mikrostruktur einen großen Anteil an Ferrit aufweist, sind sehr duktil. Sie lassen sich leicht biegen, rollen oder in verschiedene Formen ziehen. Im Gegensatz dazu sind Stäbe aus kohlenstoffreichem Stahl mit einem hohen Anteil an Zementit und Martensit weniger duktil und brechen bei Verformung eher.

Zähigkeit

Zähigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Energie zu absorbieren und sich plastisch zu verformen, bevor es bricht. Für eine hohe Zähigkeit ist ein gutes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität erforderlich. Mikrostrukturen mit einer feinen und gut verteilten Phasenmischung, wie beispielsweise eine feinkörnige Ferrit-Perlit-Struktur, führen häufig zu Stäben aus Kohlenstoffstahl mit hoher Zähigkeit. Durch Wärmebehandlungsverfahren kann die Mikrostruktur optimiert und die Zähigkeit der Stäbe verbessert werden.

Wärmebehandlung und Mikrostrukturkontrolle

Die Wärmebehandlung ist ein entscheidender Prozess zur Steuerung der Mikrostruktur und der Eigenschaften von Kohlenstoffstahlstangen. Zur Erzielung spezifischer Mikrostrukturen und Eigenschaften können unterschiedliche Wärmebehandlungsmethoden eingesetzt werden.

Glühen

Beim Glühen wird der Stahl auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und anschließend langsam abgekühlt. Dieses Verfahren dient dazu, innere Spannungen abzubauen, die Kornstruktur zu verfeinern und die Duktilität des Stahls zu verbessern. Beim Glühen wird der Stahl bis in den austenitischen Bereich erhitzt und dann mit kontrollierter Geschwindigkeit abgekühlt. Die resultierende Mikrostruktur ist häufig eine grobkörnige Ferrit-Perlit-Struktur, die für Anwendungen geeignet ist, bei denen eine hohe Formbarkeit erforderlich ist.

Normalisieren

Das Normalisieren ähnelt dem Glühen, der Stahl wird jedoch an der Luft abgekühlt, nachdem er in den austenitischen Bereich erhitzt wurde. Dadurch entsteht im Vergleich zum Glühen ein feinkörnigeres Gefüge. Normalisierter Kohlenstoffstahl weist eine bessere Festigkeit und Härte als geglühte Stäbe auf und behält dennoch ein angemessenes Maß an Duktilität bei.

Abschrecken und Anlassen

Beim Abschrecken wird der Stahl aus dem austenitischen Bereich schnell abgekühlt, üblicherweise in Wasser oder Öl. Durch diesen Prozess entsteht eine harte und spröde Martensit-Mikrostruktur. Um die Sprödigkeit zu verringern und die Zähigkeit zu verbessern, wird der vergütete Stahl anschließend angelassen, indem er auf eine niedrigere Temperatur erhitzt und über einen bestimmten Zeitraum gehalten wird. Die resultierende Mikrostruktur besteht aus angelassenem Martensit, der eine gute Kombination aus Festigkeit, Härte und Zähigkeit aufweist.

Anwendungen von Kohlenstoffstahlstäben basierend auf der Mikrostruktur

Konstruktion

In der BaubrancheStahlbewehrung für den Bauist eines der am häufigsten verwendeten Kohlenstoffstahlprodukte. Aufgrund ihrer guten Duktilität und Schweißbarkeit werden häufig Stäbe aus kohlenstoffarmem Stahl mit einem hohen Anteil an Ferrit und Perlit verwendet. Diese Stäbe können den beim Bau auftretenden Kräften wie Biegen und Strecken standhalten.Bewehrungsstahl aus KohlenstoffstahlMit einer geeigneten Mikrostruktur kann Betonkonstruktionen die erforderliche Festigkeit und Haltbarkeit verleihen.

Herstellung

In der Fertigung werden Kohlenstoffstahlstangen zur Herstellung verschiedener Komponenten wie Wellen, Zahnräder und Bolzen verwendet. Für Anwendungen, bei denen eine hohe Festigkeit erforderlich ist, können Stäbe aus Kohlenstoffstahl mit einem erheblichen Anteil an Zementit und angelassenem Martensit verwendet werden.Verformter Bewehrungsstabwird auch in der Fertigung verwendet, um die Verbundfestigkeit zwischen Stahl und Beton oder anderen Materialien zu verbessern.

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Referenzen

• Callister, WD, & Rethwisch, DG (2010). Materialwissenschaft und Werkstofftechnik: Eine Einführung. Wiley.
• Huda, KS (2012). Grundlagen der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Jones & Bartlett Lernen.
• Atlas der Mikrostrukturen von Kohlenstoffstählen durch Wärmebehandlung, American Society for Metals.