Stahl ist wegen seiner typischen Eigenschaften der wichtigste Werkstoff für vielfältige Anwendungen wie z.B. Gebäudekonstruktionen und Maschinenbau.
Typische Stahleigenschaften sind: gute Verformbarkeit, Strapazierfähigkeit, hohe Zugfestigkeit und Fließgrenze, gute Wärmeleitfähigkeit und, im Fall von rostfreiem Stahl, eine hohe Korrosionsbeständigkeit.
Als Stahl wird ein Werkstoff aus Eisen bezeichnet, dem maximal 2 % Kohlenstoff und verschiedene andere Elemente, wie z.B. Mangan, Phosphor, Schwefel, Chrom, Nickel etc. beigemischt wurden. Man unterschiedet:
- unlegierte Stähle
- legierte Stähle
- Grundstähle
- Qualitätsstähle
- Edelstähle
Jedes chemische Element, das dem Grundstahl beigemischt wird verändert die Stahleigenschaften und das Verhalten des Stahls bei der Weiterverarbeitung. Diese Variationen in der Stahlzusammensetzung führen zu einer großen Bandbreite an Stahleigenschaften und – klassen. So liefert eine geeignete Zusammensetzung z.B. eine höhere Festigkeit und Härte oder eröffnet die Möglichkeit, den Stahl mit kostengünstigeren Wärmebehandlungsmethoden zu bearbeiten.
Zur Messung der Stahleigenschaften stehen verschiedene Metallprüfverfahren zur Verfügung. Grundsätzlich wird unterschieden in zerstörende und zerstörungsfreie Prüfverfahren.Fließfestigkeit, Duktilität und Biegesteifigkeit werden z.B. mittels eines Zugversuchs ermittelt. Die Zähfestigkeit wird mit dem Kerbschlagbiegeversuch gemessen und die Härteprüfung gibt den Widerstand gegen Eindringen eines härteren Prüfkörpers an. Weitere Prüfverfahren sind z.B.
- Ätzverfahren (Sichtbarmachen der Korngrenzen)
- Licht-, Elektronenmikroskopische Untersuchung
- Röntgenuntersuchungen
- Ultraschalluntersuchungen
Der Zugversuch ermittelt die Stahleigenschaften bei einachsiger Zugbeanspruchung und ist eine der wichtigsten Prüfverfahren in der Materialwissenschaft. Die Probe wird dabei gleichmäßig und stoßfrei bis zum Bruch bei gleichzeitiger Messung der Verlängerung und der benötigten Last gestreckt. Als Ergebnis wird das Verhältnis zwischen Spannung und Dehnung angegeben, was die Elastizität des Stahles repräsentiert. Das Verhältnis wird Elastizitätsmodul (E-Modul, Young-Modul) genannt und ist einer der wichtigsten Kennzahlen für Stahleigenschaften für Ingenieure und Anwender. Ein großes E-Modul macht Stahl im Vergleich mit anderen Werkstoffen so besonders. Es nimmt Werte zwischen 190-210 GPa ein, was ungefähr dreimal so hoch ist, wie bei Aluminium.
Die physikalischen Stahleigenschaften hängen stark mit der Materialphysik zusammen. Einige typische Werte für die Eigenschaften von Stahl sind:
- Dichte ρ = 7.7 ÷ 8.1 [kg/dm3]
- Elastizitätsmodul E=190÷210 [GPa]
- Querkontraktionszahl ν = 0.27 ÷ 0.30
- Wärmeleitfähigkeitskoeffizient κ = 11.2 ÷ 48.3 [W/mK]
- TWärmeausdehnung α = 9 ÷27 [10-6 / K]
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