Das E. ist ein Zweistoffsystem aus den beiden Elementen Eisen und Kohlenstoff. Es gibt die verschiedenen Phasen an, die in bestimmten Temperaturbereichen - je nach Massengehalt der beiden Legierungspartner - existieren. Eine Besonderheit des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms liegt darin, daß es sich um ein Doppelschaubild handelt: Einerseits liegt Kohlenstoff im stabilen Fe-C-System als Graphit vor. Demgegenüber ist er im metastabilen System Fe-Fe₃C als Eisencarbid (Zementit) vorhanden. Für die Stahlerzeugung ist das metastabile System von Bedeutung.

Wie sind die zahlreichen Informationen, die dieses Schaubild enthält, zu lesen? Man nehme zum Beispiel eine Schmelze mit einer Temperatur von 1.540°C und einem Kohlenstoffgehalt von 0,83 % C. Dieser Punkt liegt im Bereich der homogenen Schmelze. Von hier ausgehend denkt man sich eine Hilfslinie, die parallel zur Temperaturachse verläuft und die x-Achse schneidet. Würde man die Schmelze abkühlen - also entlang dieser Hilfslinie nach unten fahren, so trifft man kurz unterhalb von 1.500°C auf die Liquiduslinie (Schmelzlinie, verbindet die Punkte A-C-D). Sobald die Liquidustemperatur unterschritten wird, beginnt die Ausscheidung von Gamma-(g-) Mischkristallen. Man durchläuft bei weiterer Abkühlung einen teilerstarrten Bereich, in dem Schmelze und Austenit nebeneinander vorliegen. Dieses sogenannte Zweiphasengebiet wird durch die Soliduslinie (Erstarrungslinie, verbindet die Punkte A-E-C-F) begrenzt. Unterhalb der Erstarrungstemperatur für die ausgewählte Legierung mit 0,83 % C ist die Schmelze vollständig zu kfz Austenit erstarrt. Der Existenzbereich dieses Mischkristalls reicht bis zu einer Temperatur von 723°C hinunter. Am Punkt S bilden sich aus dem Austenit zwei Phasen: Zum einen klappt das Austenitgitter in den krz Ferrit Alpha-Mischkristall um, zum anderen bildet sich das Eisencarbid Fe₃C (Zementit). Diese beiden Phasen bilden ein gleichmäßiges Gefüge namens Perlit, das bis Raumtemperatur existent bleibt. Der Umwandlungspunkt S, bei dem aus einer Phase zwei Phasen entstehen, heißt Eutektoid (Eutektikum).

Legierungen mit kleineren Kohlenstoffgehalten (schneiden beim Abkühlen aus dem Austenitgebiet die G-0-S-Linie links vom Punkt S) nennt man untereutektoidisch. Bei diesen Werkstoffen setzt sich das Gefüge aus Ferrit und Perlit zusammen, jedoch ist nicht das ganze Gefüge mit Zementitlamellen durchsetzt. Übereutektoidische Stähle enthalten mehr als 0,83 % C (schneiden beim Abkühlen aus dem Austenitgebiet die S-E-Linie rechts vom Punkt S).Ihr Gefüge ist gleichmäßig mit Fe3C-Lamellen durchsetzt. Neben Perlit enthält es aber auch sekundären Zementit. Stahl enthält aber neben Kohlenstoff oft Legierungselemente, die die Grenzlinien des Austenitgebietes verschieben (Austenitbildner, Ferritbildner). Je nach ihrem Gehalt verändern sie somit auch das Gefüge und die Eigenschaften der betreffenden Legierung.

Ein weiterer wichtiger Einflußpunkt ist die Geschwindigkeit, mit der die Abkühlung erfolgt. Die physikalischen Vorgänge, die beim Übergang von einer Phase in die andere ablaufen, benötigen Zeit. So kann man durch schnelle Abkühlung bestimmte Umwandlungsvorgänge gezielt verhindern; man "friert" einen Zustand, der bei höheren Temperaturen vorliegt, ein, so daß er auch bei Raumtemperatur erhalten bleibt. Dies spielt eine große Rolle für alle Wärmebehandlungen, Härten und Glühen und Vergüten. Den Einfluß des Zeitfaktors machen die ZTU-Schaubilder deutlich.

Weitere charakteristische Punkte im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm sind im Bild eingezeichnet. Die Curie-Temperatur (Punkt M bzw. 0 für 0,5 % C) begrenzt den Ferromagnetismus (im Schrifttum wird sie mal mit 768°, mal mit 769°C angegeben). Bei 911°C findet der Wechsel zwischen kfz- und krz-Gitter bei Reineisen statt (Punkt G). Punkt C bezeichnet das Eutektikum.

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