Stahl ist eine Legierung, ein Kombinationsmetall aus Eisen und Kohlenstoff. Der Kohlenstoffgehalt von Stahl erreicht maximal 1,5 Prozent. Aufgrund seiner Härte und Festigkeit wird Stahl beim Bau von Gebäuden, Brücken, Automobilen und einer Vielzahl anderer Fertigungs- und Ingenieuranwendungen verwendet.
Der meiste Stahl, der heute produziert wird, ist einfacher Kohlenstoffstahl oder einfach Kohlenstoffstahl. Der Kohlenstoff in Stahl liegt im Eisencarbid-Zustand vor. Andere Elemente, darunter Schwefel, Phosphor, Mangan und Silizium, sind ebenfalls vorhanden.
Kohlenstoffgehalt von Stahl
Kohlenstoffstahl ist definiert als Stahl, der seine Eigenschaften hauptsächlich durch seinen Kohlenstoffgehalt hat und nicht mehr als 0,5 Prozent Silizium und 1,5 Prozent Mangan enthält. Die einfachen Kohlenstoffstähle, die von 0,06 Prozent bis 1,5 Prozent Kohlenstoff reichen, werden in vier Typen unterteilt:
- Toter Baustahl, bis zu 0,15 Prozent Kohlenstoff
- Kohlenstoffarmer oder weicher Stahl, 0,15 % bis 0,45 % Kohlenstoff
- Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, 0,45 bis 0,8 Prozent Kohlenstoff
- Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt, 0,8 bis 1,5 Prozent Kohlenstoff
Diese Stähle entwickeln sich von weicher zu härter, neigen aber auch zu zunehmender Sprödigkeit. Der erste Typ wird in Automobilkarosserien verwendet. Der zweite Typ findet sich in Schienen und Schienenprodukten wie Kupplungen, Kurbelwellen, Achsen, Zahnrädern und Schmiedeteilen. Der dritte Typ wird in Schneidwerkzeugen und Eisenbahnlinien verwendet, und der letzte Typ wird in Kolben und Zylindern verwendet.
Grundlegende physikalische Eigenschaften von Stahl
Stahl hat eine Dichte von 7.850 kg/m²3, was es 7,85-mal so dicht wie Wasser macht. Sein Schmelzpunkt von 1.510 C ist höher als der der meisten Metalle. Im Vergleich dazu liegt der Schmelzpunkt von Bronze bei 1.040 °C, der von Kupfer bei 1.083 °C, der von Gusseisen bei 1.300 °C und der von Nickel bei 1.453 °C. Wolfram schmilzt jedoch bei sengenden 3.410 C, was nicht verwunderlich ist, da dieses Element in Glühbirnen verwendet wird.
Der Längenausdehnungskoeffizient von Stahl bei 20 °C in µm pro Meter pro Grad Celsius beträgt 11,1, also mehr beständiger gegen Größenänderungen bei Temperaturänderungen als beispielsweise Kupfer (16,7), Zinn (21.4) und Blei and (29.1).
Rostfreier Stahl
Rostfreie Stähle werden im Bauwesen verwendet, wenn Korrosionsbeständigkeit ein wichtiger Vorteil ist, wie bei Messern, die eine scharfe Schneide beibehalten müssen. Ein weiterer häufiger Grund für die Verwendung von Edelstählen sind ihre Hochtemperatureigenschaften. Bei einigen Projekten ist die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit eine absolute Voraussetzung, während bei anderen die Hochtemperatur-Festigkeit ein vorrangiges Bedürfnis ist.
Zusätze zu Stahl
Kleine Mengen anderer Metalle, die dem Stahl zugesetzt werden, verändern seine Eigenschaften auf eine Weise, die für bestimmte industrielle Anwendungen günstig ist. Kobalt führt beispielsweise zu einer höheren magnetischen Permeabilität und wird in Magneten verwendet. Mangan verleiht Festigkeit und Härte, und das Produkt ist für schwere Bahnübergänge geeignet. Molybdän behält seine Festigkeit bei hohen Temperaturen, daher ist dieses Additiv praktisch bei der Herstellung von Speed-Bohrspitzen. Nickel und Chrom sind korrosionsbeständig und werden normalerweise bei der Herstellung von chirurgischen Stahlinstrumenten hinzugefügt.