Aufgrund seiner Materialeigenschaften ist Stahl wohl der weltweit wichtigste Werkstoff für den Maschinenbau und das Bauwesen. Seine Attraktivität beruht auf einer seltenen Kombination: Er ist fest und dennoch formbar, langlebig und dennoch wirtschaftlich, und sein Verhalten lässt sich durch die Anpassung der Zusammensetzung und der Verarbeitungsweise über einen enormen Bereich hinweg steuern. Zu den wertvollsten Eigenschaften von Stahl zählen hervorragende Formbarkeit und Langlebigkeit, gute Zug- und Streckgrenze sowie eine gute Wärmeleitfähigkeit, während bei rostfreien Stahlsorten die Korrosionsbeständigkeit das entscheidende Merkmal ist.
Die Eigenschaften von Stahl werden in der Regel in einige wenige große Kategorien unterteilt. Mechanische Eigenschaften beschreiben, wie Stahl auf einwirkende Kräfte reagiert, und umfassen Festigkeit, Duktilität, Härte und Zähigkeit. Physikalische Eigenschaften sind dem Material inhärent und umfassen Dichte, Wärmeleitfähigkeit und Elastizitätsmodul. Technologische Eigenschaften wie Schweißbarkeit, Zerspanbarkeit und Umformbarkeit beschreiben, wie leicht sich Stahl zu einem Fertigteil verarbeiten lässt. Dieser Text konzentriert sich auf die mechanischen und physikalischen Eigenschaften, die am häufigsten ausschlaggebend für die Materialauswahl sind.
Bei der Auswahl eines Werkstoffs für eine bestimmte Anwendung müssen Ingenieure sicher sein, dass dieser den Belastungsbedingungen und den Umwelteinflüssen standhält, denen er im Einsatz ausgesetzt sein wird. Ein klares Verständnis und eine genaue Beherrschung der Werkstoffeigenschaften sind daher unerlässlich, da ein unterdimensionierter Stahl im Einsatz versagen kann, während ein überdimensionierter Stahl unnötige Kosten und Gewicht verursacht.
Das Besondere an Stahl ist, in welchem Maße sich seine mechanischen Eigenschaften gezielt beeinflussen lassen. Dieselbe Grundzusammensetzung kann je nach Verarbeitungsverfahren und angewandter Wärmebehandlung in einem Zustand weich und gut verformbar und in einem anderen extrem hart und fest sein. Diese Behandlungen bewirken eine Veränderung der Mikrostruktur des Stahls, also der Anordnung und Art der inneren Phasen wie Ferrit, Perlit, Bainit und Martensit. Ein höherer Kohlenstoffgehalt erhöht beispielsweise die Festigkeit und Härte, verringert jedoch die Duktilität und Schweißbarkeit, während Wärmebehandlungen wie Glühen, Abschrecken und Anlassen die Mikrostruktur so umverteilen, dass entweder die Zähigkeit oder die Härte begünstigt wird. Da diese Variablen miteinander interagieren, müssen Prüfungen durchgeführt werden, um die endgültigen Eigenschaften eines Stahls zu bestätigen und sicherzustellen, dass er den einschlägigen Normen entspricht.
Verschiedene Prüfverfahren ermitteln unterschiedliche mechanische Eigenschaften, und jedes davon liefert dem Ingenieur spezifische Informationen darüber, wie sich ein Stahl verhält.
Bei der Zugprüfung wird untersucht, wie Stahl strukturell auf aufgebrachte Belastungen reagiert; die Ergebnisse werden in Form einer Spannungs-Dehnungs-Kurve dargestellt. Aus dieser einzigen Kurve lassen sich mehrere wichtige Eigenschaften ableiten. Der anfängliche gerade Abschnitt steht für die elastische (rückstellbare) Verformung, und seine Steigung entspricht dem Elastizitätsmodul, einem Maß für die Steifigkeit. Der Punkt, an dem das Material beginnt, sich dauerhaft zu verformen, ist die Streckgrenze – der am häufigsten verwendete Bemessungswert, da sich die meisten Bauteile im Betrieb nicht plastisch verformen dürfen. Die höchste Spannung, der der Stahl standhalten kann, ist seine Zugfestigkeit, während die Dehnung vor dem Bruch, ausgedrückt als prozentuale Dehnung, seine Duktilität angibt.
Das Verhältnis von Spannung zu Dehnung im elastischen Bereich, der Elastizitätsmodul, ist eine der charakteristischsten Eigenschaften von Stahl. Bei Stahl liegt er im Bereich von 190 bis 210 GPa, was etwa dem Dreifachen des Wertes für Aluminium entspricht. Diese hohe Steifigkeit ist ein wesentlicher Grund dafür, dass Stahl für Konstruktionen gewählt wird, bei denen die Durchbiegung begrenzt werden muss, und sie variiert zwischen verschiedenen Stahlsorten nur sehr geringfügig, obwohl deren Festigkeit enorm variieren kann.
Die Härte gibt die Widerstandsfähigkeit eines Stahls gegen lokale Oberflächenverformungen an und wird ermittelt, indem ein harter Eindringkörper in die Oberfläche gedrückt und die dabei entstehende Vertiefung gemessen wird. Die gängigen Skalen – Brinell, Rockwell und Vickers – verwenden jeweils unterschiedliche Eindringkörper und Belastungen, und die Härte korreliert oft auf aussagekräftige Weise mit der Zugfestigkeit und der Verschleißfestigkeit, weshalb sie eine schnelle und beliebte Qualitätsprüfung darstellt.
Die Zähigkeit hingegen beschreibt die Energie, die ein Stahl vor dem Bruch aufnehmen kann, insbesondere bei plötzlichen Stößen. Sie wird üblicherweise durch Schlagversuche, wie beispielsweise den Charpy-Versuch, gemessen. Die Zähigkeit ist besonders wichtig, da viele Stähle bei niedrigen Temperaturen spröde werden – ein Phänomen, das als Übergang von duktil zu spröde bekannt ist. Das Verständnis dieses Übergangs ist entscheidend für Konstruktionen, die in kalten Umgebungen eingesetzt werden, wo ein normalerweise zäher Stahl plötzlich versagen könnte.
Viele Bauteile versagen nicht unter einer einzelnen großen Belastung, sondern unter wiederholten, kleineren zyklischen Belastungen im Laufe der Zeit – ein Vorgang, der als Ermüdung bezeichnet wird. Stahl zeichnet sich dadurch aus, dass viele Sorten eine Ermüdungs- oder Dauerfestigkeitsgrenze aufweisen – eine Spannung, unterhalb derer sie praktisch unbegrenzte Belastungszyklen aushalten können, ohne zu versagen. Diese Eigenschaft ist von zentraler Bedeutung für die Konstruktion von rotierenden Wellen, Achsen, Federn und anderen Bauteilen, die einer kontinuierlichen zyklischen Beanspruchung ausgesetzt sind.
Die physikalischen Eigenschaften von Stahl hängen mit den grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs zusammen, darunter Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Elastizitätsmodul und Poisson-Koeffizient. Im Gegensatz zu den mechanischen Eigenschaften werden diese Eigenschaften weitgehend durch die Eisenbasis bestimmt und variieren zwischen den einzelnen Güteklassen nur geringfügig, weshalb die unten aufgeführten typischen Werte als zuverlässige Ausgangspunkte für Konstruktionsberechnungen dienen.
Die größeren Schwankungsbreiten bei der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmeausdehnung spiegeln den Einfluss der Legierung wider: Hochlegierte Werkstoffe wie austenitische Edelstähle leiten Wärme schlechter und dehnen sich stärker aus als unlegierte Kohlenstoffstähle, was praktische Auswirkungen auf das Schweißen, die Wärmebehandlung und Bauteile hat, die Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.
Während Festigkeit und Steifigkeit bei der Auswahl von Baustählen im Vordergrund stehen, ist die Korrosionsbeständigkeit das entscheidende Merkmal von rostfreien Stählen. Diese Beständigkeit beruht auf einem Chromgehalt von mindestens etwa 10,5 %, der mit Sauerstoff reagiert und eine dünne, haftende und sich selbst regenerierende Chromoxidschicht bildet, die als Passivschicht bezeichnet wird. Wird die Oberfläche zerkratzt, bildet sich dieser Film in Gegenwart von Sauerstoff wieder neu, sodass sich Edelstahl während seiner gesamten Lebensdauer selbst schützen kann. Zusätze wie Nickel und Molybdän verbessern die Beständigkeit in bestimmten Umgebungen noch weiter, weshalb rostfreie Stähle für Anwendungen von der Lebensmittelverarbeitung bis hin zum Schiffsbau und zur chemischen Industrie eingesetzt werden.
Dieser Artikel befasst sich mit den mechanischen und physikalischen Eigenschaften, die das Verhalten von Stahl im Einsatz bestimmen. Die anderen Leitfäden der Reihe „Stahl“ behandeln, woher diese Eigenschaften stammen und wie sie definiert werden. „Stahlzusammensetzung“ erläutert, wie die chemischen Elemente in einem Stahl dessen Eigenschaftenpotenzial bestimmen, und „Stahlsorten“ zeigt, wie Werkstoffe in die von Ihnen spezifizierten und gekauften Familien eingeteilt werden. „Stahlspezifikationen“ und „Stahlnormen“ befassen sich mit den Dokumenten und Rahmenwerken, die Grenzwerte für Eigenschaften und Zusammensetzung festlegen, während „Stahlegleichwertigkeit“ erläutert, wie Eigenschaften verglichen werden, wenn man Güteklassen verschiedener Systeme miteinander abgleicht. Zusammen verbinden sie das Leistungsverhalten mit der Zusammensetzung, der Klassifizierung und den zugrunde liegenden Normen.
Die Eigenschaften von Stahl werden im Allgemeinen in mechanische Eigenschaften (wie Festigkeit, Härte, Duktilität und Zähigkeit), physikalische Eigenschaften (wie Dichte, Wärmeleitfähigkeit und Elastizitätsmodul) und technologische Eigenschaften (wie Schweißbarkeit, Zerspanbarkeit und Umformbarkeit) unterteilt.
Die Streckgrenze ist die Spannung, bei der sich Stahl dauerhaft zu verformen beginnt, und sie ist der Wert, der bei der Bemessung am häufigsten herangezogen wird. Die Zugfestigkeit ist die maximale Spannung, der der Stahl standhalten kann, bevor er versagt. Bei einem Zugversuch werden beide Werte sowie die Duktilität und die Steifigkeit gemessen.
Der Elastizitätsmodul spiegelt die Steifigkeit des Eisenatomgitters wider, die durch Legierungen oder Wärmebehandlungen nicht wesentlich verändert wird. Er liegt bei praktisch allen technischen Stahlsorten durchweg zwischen 190 und 210 GPa. Das bedeutet, dass das Durchbiegungsverhalten unter elastischer Belastung sortenunabhängig ist, was die Konstruktion erheblich vereinfacht.
Sie werden durch die chemische Zusammensetzung, das Herstellungsverfahren und die Wärmebehandlung gesteuert, die alle die endgültige Mikrostruktur beeinflussen. So erhöht beispielsweise ein höherer Kohlenstoffgehalt die Festigkeit und Härte, verringert jedoch die Duktilität, während Wärmebehandlungen wie Glühen, Abschrecken und Anlassen das Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit beeinflussen.
Edelstahl enthält mindestens etwa 10,5 % Chrom, das auf der Oberfläche einen dünnen, sich selbst regenerierenden Passivfilm aus Chromoxid bildet. Dieser Film schützt das darunterliegende Metall kontinuierlich, und Elemente wie Nickel und Molybdän können die Beständigkeit in aggressiveren Umgebungen verbessern.