Ferrit
Ferrit ist die Bezeichnung für kristallographische Modifikationen des Eisens, die ein kubisch-raumzentriertes Kristallgitter bilden. Reines Eisen liegt bei Temperaturen unter 911 °C als α-Ferrit vor, zwischen 1.392 °C und dem Schmelzpunkt bei 1536 °C als δ-Ferrit. In der dazwischenliegenden γ-Phase liegt es dagegen als Austenit vor. Ferrit ist relativ weich und korrosionsanfällig. Unterhalb der Curie-Temperatur von 769 °C ist es ferromagnetisch, darüber paramagnetisch.
In Mehrstoffsystemen, wozu insbesondere die technischen Anwendungen des Eisens Stahl und Gusseisen gehören, bilden sich mit den anderen Legierungsbestandteilen zum Teil auch ferritische Mischkristalle:
- In Zweistoffsystemen mit sogenannten γ-stabilisierenden Elementen ist deren Löslichkeit im Ferrit begrenzt. Dies gilt z. B. für die Systeme Eisen-Kohlenstoff und Eisen-Nickel. Im δ-Ferrit sind bei ca. 1500 °C maximal 0,1 % Kohlenstoff löslich. Im α-Ferrit ist bei 20 °C maximal ca. 0,001 % Kohlenstoff enthalten, das Maximum der Löslichkeit von 0,02 % liegt bei 723 °C und nimmt bis 911 °C auf Null ab. Die Löslichkeit von Nickel im α-Ferrit nimmt von diesem Punkt mit sinkender Temperatur stetig zu. Bei 300 °C nähert sie sich 10 %. Da bei der Abkühlung gleichzeitig der Nickelgehalt im immer geringer werdenden Anteil der γ-Phase viel stärker zunimmt, kann zuletzt aufgrund der wegen der niedrigen Temperatur behinderten Diffusion aber kein Konzentrationsausgleich mehr erfolgen. Es entsteht daher anstelle des stabilen Ferrits metastabiler Martensit mit zwangsgelöstem höherem Nickelanteil. Der Martensit ist gegenüber dem Ferrit tetragonal verzerrt. Im Eisen-Kohlenstoff-System kann derselbe Zustand durch schnelle Abkühlung erzwungen werden. Dies entspricht einer Härtung des Stahls.
- Elemente, die mit Ferrit vollständig ineinander löslich sind, sind dagegen α-stabilisierend. Dies gilt z. B. für Chrom und α- und δ-Eisen bei höheren Temperaturen. Es bildet sich ein einheitliches Phasengebiet, bei Chromgehalten ab ca. 15 % liegt bis zum Schmelzpunkt durchgehend Ferrit vor. Im Eisen-Chrom-System bildet sich allerdings daneben bei annähernd gleichen Eisen- und Chromanteilen und niedrigeren Temperaturen die intermetallische Verbindung FeCr, die eine eigene σ-Phase bildet. Bei mäßigen Chrom- bzw. Eisenanteilen liegt jedoch auch bei Raumtemperatur Ferrit vor.
- Bei Mehrstoffsystemen mit sowohl α-stabilisierenden als auch γ-stabilisierenden Elementen können erstere unter Umständen die Wirkung der letzteren verstärken. So dehnt sich bei CrNi-Stählen mit gleichbleibendem Nickelanteil mit zunehmendem Chromanteil zunächst auch der Bereich der γ-Phase zu niedrigeren Temperaturen hin aus. Bei den gängigen nichtrostenden Stählen mit beispielsweise 18 % Cr und 10 % Ni ist daher auch bei Raumtemperatur überhaupt kein Ferrit mehr enthalten, erkennbar daran, dass sie nicht magnetisierbar sind. Erst bei noch höheren Chromanteilen nimmt der Ferritanteil wieder zu.