Stahl ist eine Metalllegierung, die aufgrund ihrer Festigkeit, Erschwinglichkeit und Härte im Bauwesen weit verbreitet ist. Seine verschiedenen Formen bestehen fast ausschließlich aus Eisen, enthalten aber auch die Elemente Kohlenstoff, Mangan, Phosphor, Schwefel, Silizium und manchmal auch Nickel und Chrom. Stahl nutzt die hochstabile Atomgitterstruktur von Eisen mit einem wichtigen Twist.
Das Kristallgitter
Eisen nimmt in seiner festen Form eine kristalline Struktur an, was einfach bedeutet, dass die Eisenatome in einem regelmäßigen, sich wiederholenden Muster angeordnet sind, das als Gitter bezeichnet wird. In der Natur gibt es viele Gitter, aber Eisen kommt in einer von zwei Formen vor – der körperzentrierte Würfel, der bei höheren Temperaturen existiert, und der flächenzentrierte Würfel, seine Form bei Raumtemperatur.
Die Rolle von Kohlenstoff
Die Zugabe von Kohlenstoff zu flüssigem Eisen – typischerweise in Mengen von 0,035% bis 3,5 Masse-% – ändert, was passiert, wenn die Mischung auf ihren Gefrierpunkt (ungefähr 1.500 °C) abkühlt. Anstatt von einem körperzentrierten Gitter zu einem flächenzentrierten Gitter zu werden, lagern sich die Eisenatome direkt in letzterem ein. Gleichzeitig nisten die Kohlenstoffatome im Zentrum dieser Würfel. Dies erklärt letztendlich die längere Haltbarkeit von Stahl im Vergleich zu reinem Eisen.