IJzer koolstofdiagram

Koolstof speelt een dominante rol bij de structuurvorming van ijzer. IJzer (Fe) en Koolstof (C) vormen een kubisch rooster. Op de hoeken van deze roosters bevinden zich IJzeratomen.

De koolstofatomen kunnen twee posities innemen. Bij positie één liggen ze vlak gecentreerd in het midden van elk vlak van de kubus ook wel Gamma mengkristal of gamma (γ-) ijzer genoemd (linker animatie). In deze positie is sprake van een kubisch vlak gecentreerd rooster. Bij positie twee, het kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster is het koolstofhoudende atoom inwendig gecentreerd in de kubus. Men spreekt in dit geval van alfa (α -) ijzer of Alfa mengkristal.

Koolstof is het belangrijkste legeringselement in staal. De hoeveelheid koolstof bepaalt de hardheid van het materiaal en daarmee ook de bruikbaarheid. Belangrijk voor de bruikbaarheid is het feit dat aan het Gamma mengkristal veel koolstof kan worden toegevoegd. IJzer en koolstof gaan een chemische verbinding aan die Cementiet (Fe3C) genoemd wordt.

Kubisch vlak gecentreerd vs. kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster

Kubisch vlak gecentreerd roosterKubisch vlak gecentreerd kristalrooster
Kubisch ruimtelijk gecentreerd roosterKubisch ruimtelijk gecentreerd kristalrooster

Weergave van het ijzer-koolstofdiagram

Het ijzer-koolstofdiagram is een grafische weergave van de desbetreffende structurele toestand in reactie op temperatuur (Y-as) en het koolstofgehalte (X-as). Het werkelijke ijzer-koolstofdiagram is wezenlijk groter dan het hier afgebeelde deel.

We beschouwen hier alleen het gebied van het staal met een koolstofgehalte tot 2%. Er zijn ook ijzersoorten met een hoger koolstofgehalte – vanaf dit punt (2%) zou de gedeeltelijke afbeelding van het gietijzer aansluiten, maar dit is voor deze beschouwing niet interessant.

De koeling van de smelt, verloopt in hoofdzaak van de austeniet- naar de ferriet- fase, dat wil zeggen van gamma mengkristal (gamma ijzer) naar alfa mengkristal (alfa ijzer).

Bij de beschouwing van het proces omtrent de kristalstructuur kan geobserveerd worden dat de koolstofatomen zich bewegen van de oppervlakte naar het centrum van de kristal. Echter, deze positie kan slechts door één atoom ingenomen worden. De andere koolstofatomen worden afgescheiden en vormen Cementiet (Fe3C).

IJzerkoolstof-diagram

In de vaste toestand zijn vier er verschillende structuren:

Ferriet is de benaming voor alfa-ijzer. Het bevat weinig tot geen koolstof. Ferriet is een kubisch ruimtelijk gecentreerd kristalrooster.

Ferriet

Ferriet + perliet

Bij toenemende koolstofconcentratie wordt cementiet uitgescheiden. Dit is een nieuwe structurele component en vormt een ferriet-perliet microstructuur. De overgang van ferriet-perliet naar perliet vindt plaats nabij een koolstofpercentage van 0.85%.

Ferriet - Perliet

Perliet

Bij een verdere verhoging van de koolstofconcentratie daalt het aandeel ferriet gestaag. Vanaf een koolstofconcentratie van 0,8 … 0,85% is alleen nog perliet beschikbaar. De kristalstructuur komt voor bij temperaturen lager dan 727°C

Perliet

Perliet + cementiet

Bij een nog verder stijgende koolstofconcentratie, wordt cementiet gedeponeerd aan de korrelgrenzen van de Perliet. Wanneer bekeken onder een microscoop kan dit gezien worden door verdikte korrelgrenzen. Cementiet heeft een zeer harde en brosse structuur. In veel staalsoorten moet daarom het neerslaan van cementiet worden vermeden. Dit gebeurt door een snelle afkoeling. Als cementiet-vorming niet wordt tegengegaan kan dit leiden tot afbrokkeling van het materiaal bij een mechanische belasting.

Perliet Cementiet