Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm verstehen: Phasen, Gefüge und Bedeutung
Was zeigt das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm? Ein kompakter Überblick über Phasen, Gefüge, Kohlenstoffgehalt und die Grundlagen von Stahl und Gusseisen.
Eisen und Kohlenstoff stehen im Periodensystem nur für zwei chemische Elemente. Gemeinsam führen sie jedoch unmittelbar in die Werkstoffkunde. Bereits vergleichsweise kleine Änderungen des Kohlenstoffgehalts beeinflussen, welche Phasen und Gefüge in Eisenwerkstoffen auftreten können. Eine der wichtigsten Grundlagen, um diese Zusammenhänge zu verstehen, ist das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm. Es beschreibt, welche Phasen bei bestimmten Temperaturen und Kohlenstoffgehalten unter Gleichgewichtsbedingungen zu erwarten sind. Damit bildet es die Grundlage für das Verständnis von Stahl, Gusseisen und zahlreichen Wärmebehandlungsprozessen.
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Redaktioneller Hinweis: Dieser Beitrag wird fortlaufend redaktionell überprüft und bei Bedarf an aktuelle wissenschaftliche Erkenntnisse und Referenzdaten angepasst. Zahlenwerte können je nach verwendeter Datengrundlage, Definition und Rundung geringfügig voneinander abweichen. |
Was zeigt das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm?
Auf der horizontalen Achse wird der Kohlenstoffgehalt, üblicherweise als Massenanteil, dargestellt; auf der vertikalen Achse die Temperatur. Linien grenzen Bereiche voneinander ab, in denen unterschiedliche Phasen oder Kombinationen von Phasen stabil beziehungsweise metastabil auftreten.
Was im technischen Sprachgebrauch meist als Eisen-Kohlenstoff-Diagramm bezeichnet wird, ist genauer das metastabile Eisen-Zementit-System Fe–Fe₃C. Es reicht bis zur Zusammensetzung des Zementits Fe₃C bei 6,67 Massen-% Kohlenstoff.
Daneben existiert das stabile Fe-C-System, in dem Graphit die kohlenstoffreiche Gleichgewichtsphase ist. Zementit ist gegenüber Ferrit und Graphit thermodynamisch metastabil, kann jedoch aufgrund kinetischer Hemmungen sehr lange bestehen. Deshalb ist das Fe–Fe₃C-Diagramm insbesondere für das Verständnis von Stählen von großer praktischer Bedeutung. Bei Gusseisen muss dagegen auch die Graphitbildung berücksichtigt werden. [1, 2]
Ferrit, Austenit und Zementit
Um das Diagramm lesen zu können, müssen zunächst seine wichtigsten Phasen unterschieden werden.
Ferrit (α-Fe) besitzt ein kubisch-raumzentriertes Kristallgitter und kann nur vergleichsweise wenig Kohlenstoff lösen. Austenit (γ-Fe) besitzt dagegen eine kubisch-flächenzentrierte Struktur und ermöglicht eine deutlich höhere Kohlenstofflöslichkeit. Bei hohen Temperaturen tritt außerdem δ-Ferrit auf. Kohlenstoff befindet sich in diesen Eisenphasen auf Zwischengitterplätzen. [3]
Eine weitere zentrale Phase ist Zementit (Fe₃C), ein Eisencarbid mit 6,67 Massen-% Kohlenstoff. Zementit ist hart und spröde und spielt für die Gefügeentwicklung von Eisenwerkstoffen eine wichtige Rolle. [4]
Damit macht das Diagramm bereits einen grundlegenden Zusammenhang sichtbar: Nicht allein die chemischen Elemente bestimmen die Eigenschaften eines Werkstoffs. Entscheidend ist auch, in welchen Phasen sie vorliegen und welches Gefüge daraus entsteht.
Eutektoid und Eutektikum: Wie Gefüge entstehen
Besonders wichtig für das Verständnis von Stahl ist die eutektoide Reaktion. Bei langsamer Abkühlung zerfällt Austenit mit eutektoider Zusammensetzung bei etwa 727 °C in Ferrit und Zementit:
γ → α + Fe₃C
Das daraus entstehende charakteristische Gefüge wird Perlit genannt. Moderne Darstellungen setzen die eutektoide Zusammensetzung typischerweise bei ungefähr 0,76 Massen-% Kohlenstoff an; in Lehrdiagrammen finden sich häufig gerundete Werte um 0,8 %. [1, 4]
Bei höheren Kohlenstoffgehalten liegt das Eutektikum bei ungefähr 4,3 Massen-% Kohlenstoff und etwa 1147–1148 °C. Dabei wandelt sich die Schmelze in Austenit und Zementit um. Das entstehende Gefüge wird als Ledeburit bezeichnet. [1, 4]
Ferrit, Austenit und Zementit sind Phasen. Perlit und Ledeburit sind dagegen Gefügebestandteile aus mehreren Phasen.
Zum vollständigen Fe–Fe₃C-System gehört außerdem die peritektische Reaktion im Bereich hoher Temperaturen. Für das grundsätzliche Verständnis von Stahl sind jedoch Eutektoid und Eutektikum meist die anschaulicheren Ausgangspunkte.
Vom Kohlenstoffgehalt zu Stahl und Gusseisen
Das Diagramm lässt erkennen, warum sich Eisenwerkstoffe mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt unterschiedlich entwickeln.
Bei untereutektoiden Stählen bildet sich bei langsamer Abkühlung zunächst voreutektoider Ferrit aus dem Austenit. Der verbleibende Austenit erreicht schließlich die eutektoide Zusammensetzung und wandelt sich zu Perlit um. Das resultierende Gefüge enthält somit Ferrit und Perlit.
Bei übereutektoiden Stählen entsteht vor Erreichen der eutektoiden Temperatur dagegen voreutektoider Zementit; der verbleibende Austenit wandelt sich anschließend ebenfalls zu Perlit um.
Die Mengenanteile der jeweils im Zweiphasengebiet vorhandenen Phasen lassen sich über Konoden und das Hebelgesetz bestimmen. Das Diagramm ermöglicht damit nicht nur qualitative Aussagen darüber, welche Phasen auftreten, sondern auch quantitative Abschätzungen ihrer Anteile.
Bei noch höheren Kohlenstoffgehalten gelangt man in den Bereich der Gusseisenwerkstoffe. Dort wird die Unterscheidung zwischen metastabilem Fe–Fe₃C-System und stabilem Fe-C-System besonders wichtig, weil Kohlenstoff je nach Zusammensetzung und Prozessbedingungen auch als Graphit auftreten kann. [2]
Was das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm nicht zeigt
So grundlegend das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist, es erklärt nicht jede Gefügeentwicklung eines realen Werkstoffs. Es ist zunächst eine Gleichgewichtsdarstellung. Eine Zeitachse enthält es nicht. Bei technischen Wärmebehandlungen ist jedoch entscheidend, wie schnell ein Werkstoff erwärmt, gehalten oder abgekühlt wird.
Gefüge wie Bainit und Martensit lassen sich deshalb nicht einfach als weitere Gleichgewichtsbereiche des klassischen Fe–Fe₃C-Diagramms verstehen. Für die Beschreibung zeit- und abkühlungsabhängiger Umwandlungen werden unter anderem Zeit-Temperatur-Umwandlungs- beziehungsweise ZTU-, TTT- und CCT-Diagramme verwendet. [5, 6]
Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist deshalb kein vollständiges Rezept für die Wärmebehandlung eines Stahls. Es liefert vielmehr den thermodynamischen Rahmen, innerhalb dessen sich viele Umwandlungsprozesse verstehen lassen.
Vom Periodensystem zum Werkstoff
Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zeigt besonders anschaulich, wohin die Beschäftigung mit einzelnen Elementen führen kann. Aus den Elementsymbolen Fe und C wird eine Betrachtung von Kristallstrukturen, Phasen, Gefügen und schließlich technischen Werkstoffen.
Damit schließt sich der Kreis zum Periodensystem: Die Eigenschaften eines Werkstoffs lassen sich nicht allein aus der Liste seiner Elemente ableiten. Entscheidend ist, wie diese Elemente miteinander verbunden sind, in welchen Phasen sie auftreten und welches Gefüge sich daraus entwickelt.
Das großformatige Eisen-Kohlenstoff-Diagramm von blume stellt das metastabile System Fe–Fe₃C für Unterricht, Studium und Werkstoffkunde zusammenhängend dar. So lassen sich Kohlenstoffgehalt, Temperatur, Phasenfelder und Gefügebereiche unmittelbar miteinander in Beziehung setzen.
Produkt: Eisen-Kohlenstoff-Diagramm – Poster des Phasendiagramms A2 oder A0
Quellen
[1] Bhadeshia, H. K. D. H.: The Iron-Carbon Phase Diagram for the Solid State. Metallography, Microstructure, and Analysis (2026). https://link.springer.com/article/10.1007/s13632-026-01362-y
[2] Institut für Materialwissenschaft, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel: The Iron Carbon Phase Diagram. Erläuterungen zum metastabilen Eisen-Zementit-System und zum stabilen Eisen-Graphit-System. https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/iss/kap_6/illustr/s6_1_2.html
[3] Aalto University: Fe-C phase diagram. Solid State Chemistry. https://wiki.aalto.fi/spaces/SSC/pages/203119013/Fe-C+phase+diagram
[4] Colorado School of Mines: Phases and Microstructure – Iron Carbon Phase Diagram and Steel Microstructure. https://inside.mines.edu/~meberhar/classes/CH125_downloads/CH11.pdf
[5] Allaire, A. et al.: Experimental Investigation of Bainite Microstructure in Fe-C. Journal of Phase Equilibria and Diffusion 47, 38–51 (2026). https://link.springer.com/article/10.1007/s11669-025-01224-0
[6] Bhadeshia, H. K. D. H.: Fachliteratur zur Umwandlung von Austenit und zur umwandlungskinetischen Betrachtung. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2018/Bainite_small.pdf