Stahl

EN 10020
Bereich	Werkstoffe
Titel	Begriffsbestimmungen für die Einteilung der Stähle
Kurzbeschreibung:	Stahl, Definitionen
Letzte Ausgabe	2000–03-22
Klassifikation	01.040.77, 77.080.20
Nationale Normen	DIN EN 10020:2000-07, ÖNORM EN 10020:2000-06-01, SN EN 10020:2000-07-15

In der EN 10020:2000–07 Begriffsbestimmungen für die Einteilung der Stähle wird unter Punkt 2.1 folgendes ausgeführt:

Der Grenzgehalt an Kohlenstoff von 2 % leitet sich direkt aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ab. Bis zu einem Gehalt von 2,06 % kann der Werkstoff bei hohen Temperaturen in der Phase von Austenit vorliegen, der sich gut umformen lässt.[5][6]

Die in der Fachliteratur gebräuchlichen Definitionen orientieren sich an der DIN EN 10020 und enthalten alle die Definition als Eisenwerkstoff, meist mit Hinweis auf den Kohlenstoffanteil von weniger als 2 %. Zusätzlich wird aber immer betont, dass Stähle umformbar sind, also durch Schmieden, Walzen und ähnliche Verfahren bearbeitet werden können.

• „… Eisenlegierungen bezeichnet, die weniger als 2 % Kohlenstoff enthalten und die für eine Warmumformung geeignet sind.“

  Bernhard Ilschner, R. F. Singer Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik: Eigenschaften, Vorgänge, Technologien. 5. Auflage. 2010, S. 431.

• „Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoffanteil i. Allg. unter 2 Gew.-%, die kalt oder warm umformbar (schmiedbar) sind, …“

  H. Czichos, B. Skrotzki, F.-G. Simon: Hütte – Das Ingenieurwissen: Werkstoffe. 2014, S. 24.

• „Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die ohne weitere Nachbehandlung schmiedbar sind, sind Stähle (C ≤ 2 %).“ Der Zusatz "ohne weitere Nachbehandlung" schließt hier Temperguss aus, eine Gusseisensorte, die nach einer Wärmebehandlung (Tempern) schmiedbar wird.

  Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulz (Hrsg.): Werkstoffkunde. 11. Auflage. 2012, S. 181.

• „Stahl ist schmiedbares Eisen …“

  Böge: Handbuch Maschinenbau. 21. Auflage. S. E14.

• „Als Stähle werden praktisch alle verformbaren technischen Legierungen des Eisens bezeichnet.“

  Erhard Hornbogen, Hans Warlimont Metalle: Struktur und Eigenschaften der Metalle und Legierungen. 6. Auflage. 2016, S. 291.

• „… Eisenwerkstoffe darstellen, die sich i. Allg. für die Warmumformung eignen, …“

  Dubbel, 24. Auflage, S. E34.

• „… die im allgemeinen für eine Warmformgebung geeignet sind.“

  VDEh: Werkstoffkunde Stahl – Band 1: Grundlagen, 1984, S. 21.

Diese allgemeine, seit dem frühen 20. Jahrhundert gebräuchliche Definition umfasst mit dem Begriff Stahl auch das damals kaum mehr produzierte Schmiedeeisen, das einen geringen Kohlenstoff-Gehalt von meist unter 0,3 % hat. Damit ist es dann nicht härtbar und hat einen anderen Einsatzbereich. Trotz ähnlicher Zusammensetzung wie Stahl ist es aber aufgrund verschiedener Verunreinigungen nicht identisch mit Stahl. Wenn in modernen Werken (ab dem 20. Jh.) im historischen Kontext von „Stahl“ die Rede ist, so ist damit meist „Schmiedeeisen“ gemeint. Selbst in Werken der Technikgeschichte wird für frühere schmiedbare Eisenwerkstoffe der Begriff Stahl verwendet. Der Begriff Schmiedeeisen diente in der Antike als Abgrenzung gegenüber dem Roheisen, das noch sehr stark verunreinigt war, und ab dem Mittelalter zusätzlich gegenüber dem nicht schmiedbaren Gusseisen.[7]

Arbeiter am Hochofen

Aus Eisenerzen wird Roheisen gewonnen, indem es zusammen mit Koks (entgaste Kohle) in einen Hochofen gegeben wird. Das Koks erhitzt einerseits durch Verbrennung das Erz und dient andererseits als Reduktionsmittel für das Erz, das chemisch gesehen aus Eisenoxid besteht. Das dadurch entstandene Roheisen dient als Ausgangsmaterial für die Stahlerzeugung. Es enthält etwa 4 % Kohlenstoff und verschiedene Verunreinigungen.

Frischen von Roheisen nach dem LD-Verfahren

Technisch weit verbreitet (72 % der Welterzeugung, Stand: 2013[16]) ist das Linz-Donawitz-Verfahren (LD-Verfahren). Bei diesem wird das flüssige Roheisen aus dem Hochofen in einen großen, schwenkbaren Behälter gefüllt. Dieser Behälter, der Konverter, fasst ungefähr 300 t flüssiges Roheisen. Die Reaktion, die zur Umwandlung von Roheisen in Stahl führt, ist exotherm. Damit der Konverter durch zu hohe Temperaturen keinen Schaden nimmt, muss er gekühlt werden. Zu diesem Zweck wird zusätzlich zum Roheisen Eisen- bzw. Stahlschrott beigemischt. Die zum Schmelzen des Eisen- bzw. Stahlschrottes nötige Energie entzieht dem Prozess einen Teil der Wärme. Dennoch steigen die Temperaturen im Konverter von ca. 1250 °C auf etwa 1600 °C.

Der Prozess der Rohstahlerzeugung startet durch das Einfahren einer wassergekühlten Sauerstofflanze in die Schmelze. Durch diese Lanze wird reiner Sauerstoff mit einem Druck von etwa 10 bar in die Schmelze geblasen. Er oxidiert die Begleitelemente, die entstehenden gasförmigen Oxide (Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Schwefeldioxid) entweichen durch die Konverteröffnung in den Abgaskamin. Feste oder flüssige Oxide lagern sich an der Oberfläche der Schmelze ab, wo sie zusammen mit zuvor zugegebenem Kalkstein die sogenannte Schlacke bilden. Nach etwa einer halben Stunde ist der Gehalt an Fremdelementen in der Schmelze stark gesunken. Die Schlacke und die Stahlschmelze (jetzt Rohstahl genannt) werden getrennt voneinander aus dem Konverter in Transportkübel gegossen.

Das zweite wichtige Stahlherstellungsverfahren ist das Elektrostahlverfahren. Mit Graphitelektroden werden im Lichtbogenofen Temperaturen von bis zu 3500 °C erzeugt. Da diese Temperaturen nur lokal an den Spitzen der Graphitelektroden entstehen, kann zur beschleunigten Homogenisierung der Temperaturverteilung mit Lanzen Sauerstoff eingeblasen werden. Dadurch wird der Erschmelzungsprozess deutlich beschleunigt und so können ca. 100 t Stahlschrott in ca. einer Stunde erschmolzen werden. Für die Erschmelzung werden der Eigenschrott, der aus der Stahlherstellung stammt, als auch Fremdschrott, z. B. Automobilschrott, eingesetzt. Bereits während der Erschmelzung können Legierungsmittel der Stahlschmelze zugefügt werden. Die verfeinerte Einstellung der gewünschten chemischen Analyse wird im Legierungsofen vollzogen, nachdem die Stahlschmelze in den sogenannten Legierungsstand verbracht wurde. Für kleinere Mengen oder in Gießereien finden Induktionsöfen häufig Anwendung.

Weltstahlproduktion von 1943 bis 2012

Die historische Produktion von Stahl verlief lange Zeit auf relativ geringem Niveau: Schätzungen zufolge wurden im Mittelalter im deutschsprachigen Raum zwischen 20.000 t und 30.000 t an Stahl jährlich erzeugt.[17] Gegen 1950 überstieg die Weltproduktion erstmals 200 Mio. Tonnen, bis Mitte der 1970er-Jahre stieg sie weiter bis auf 700 Mio. Tonnen und verweilte bis zur Jahrtausendwende mit geringen Schwankungen auf diesem Niveau. Seitdem stieg sie weiter auf über 1000 Mio. Tonnen, wobei der Zuwachs fast ausschließlich auf China zurückgeht.[18]

Weltweit wurden 2016 1629 Millionen Tonnen Stahl produziert. Das ist mehr als das zehnfache aller anderen metallischen Werkstoffe zusammen. Von Aluminium, dem zweitwichtigsten metallischen Werkstoff, wurden 2016 nur 115 Mio. Tonnen produziert. Das mit großem Abstand bedeutendste Herstellerland war die Volksrepublik China mit einem Anteil von 50 Prozent. Größter Produzent nach China ist Japan mit 6,4 %. In der EU werden 10 % und in Nordamerika (NAFTA) 6,8 % der Weltproduktion hergestellt. In Deutschland wurden mit 87.000 Beschäftigten im Jahr 2014 ca. 43 Mio. t Rohstahl hergestellt.[19]

Exportländer von Eisen und Stahl nach Jahr[20]

#	Land	Exportvolumen (in Mio. t)
		2016	2018	2020
1	China Volksrepublik Volksrepublik China	43,4	46,9	33,4
2	Japan Japan	24,5	29,9	22,7
3	Deutschland Deutschland	21,4	29,1	22,7
4	Korea Sud Südkorea	18,6	24,7	19,7
5	Russland Russland	14,1	23,3	16,0
6	Belgien Belgien	13,2	19,6	13,7
7	Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten	12,8	16,4	12,2
8	Italien Italien	10,6	15,0	11,0
9	Indonesien Indonesien	01,82	05,75	10,8
10	Frankreich Frankreich	11,5	16,3	10,7
Weltweit		301	422	325

Weltweit wurde 2018 grenzüberschreitend Stahl im Gesamtvolumen von rund 458 Millionen Tonnen gehandelt.[20] China war dabei noch vor Japan und Russland das international wichtigste Exportland gemessen an der Ausfuhrmenge. China ist damit der sowohl bei weitem weltgrößte Produzent als auch Exporteur von Stahl.

Recycling-Code für Stahl

Stahlschrott

Eisen als Hauptbestandteil des Stahles ist, auch wenn es korrodiert oder weggeworfen wird, für Umwelt, Tier, Mensch und Pflanzen nicht toxisch. Die Stahlerzeugung ist ein großer Energieverbraucher. Im Jahr 2013 entfielen ca. 18 % des gesamten weltweiten industriellen Endenergieverbrauchs auf den Eisen- und Stahlsektor.[21] Bei der Ökobilanz von Stahl müssen zwei Herstellungsrouten unterschieden werden:

• Primärerzeugung: Bei der Herstellung eines Kilogramms Rohstahl über die Hochofenroute stoßen die besten Hochöfen in Europa ca. 1,475 kg CO₂-Äquivalent aus, was schon nahe am theoretischen Limit von 1,371 kg CO₂ liegt. Größere Emissionsreduktionen lassen sich dementsprechend nur noch durch völlig neue Produktionsmethoden erreichen.[22] Auch bei der Hochofenroute werden im sogenannten Konverter etwa 20 % Recyclingmaterial (Schrott)[23] eingesetzt.
• Stahlrecycling: Bei der Recyclingroute im Elektrostahlwerk kann gegenüber der Hochofenroute die zur Reduktion des Eisenerzes aufgebrachte, aus Kohle stammende chemische Energie eingespart werden. Das Recycling von Stahl benötigt 60 bis 75 Prozent weniger Energie als die Primärerzeugung.[24] Dies resultiert in ca. 0,75 kg CO₂ pro kg Stahl[25], die genaue CO₂-Bilanz ist abhängig von der verwendeten Stromerzeugung. Probleme beim Recycling stellen einzelne Fremdstoffe wie z. B. Kupfer dar, das aus Elektrogeräten stammt.

In der Praxis wird Stahl zuerst aus Erz hergestellt und dann oft mehrfach recycelt (einmalig Primärerzeugung und mehrfach Stahlrecycling). Damit ergibt sich ein durchschnittlicher CO₂-Ausstoß von etwa 1 kg CO₂ pro kg hergestellten Warmbandstahles. Zum Vergleich: Bei der Herstellung von 1 kg Roh-Aluminium werden 10 kg CO₂ freigesetzt (bei Verwendung eines durchschnittlichen Energiemixes). Aus geschreddertem Mischschrott kann über Magnetscheider eine Eisenfraktion zurückgewonnen werden. Legierungselemente können, müssen aber nicht beim Recycling entfernt werden. Hochlegierte Stähle werden daher dementsprechend von Metallaufkäufern extra erfasst und vergütet. Hingegen wird das Recycling dünnwandiger, beschichteter, restentleerter Gebinde (Dosenschrott) teilweise als Downcycling bezeichnet.[26]

Stahl ist mit 500 Mio. t pro Jahr der weltweit meistrecycelte Industriewerkstoff. Die Recyclingquote von Stahl liegt bei 70 %,[27] die von einzelnen Stahlanwendungen z. T. bei deutlich über 90 %.[28] Aus der hohen Recyclingquote resultiert auch, dass Stahllegierungsmetalle die Metalle mit der höchsten Lebensdauer sind.[29]

Für den Korrosionsschutz von Eisen und Stahl werden Stoffe eingesetzt, die das Recycling stören, verloren gehen oder als umweltrelevante Stoffe entweichen oder zurückgehalten werden müssen. Dazu gehören insbesondere die Legierungselemente Chrom und Nickel sowie als Beschichtungen Lacke, Zinn (Weißblech) und Zink. In Europa werden daher die Stahlwerksstäube recycelt, um das darin enthaltene Zink zurückzugewinnen.

Die Stahlerzeugung ist für ca. 25 % der CO₂–Emissionen im Industriesektor und ca. 8 % insgesamt verantwortlich.[30][31] Um die globale Erwärmung abzuschwächen, verwendet bzw. erprobt die Stahlindustrie eine Reihe von Technologien zur Dekarbonisierung. Dazu gehören die Nutzung von Wasserstoff, die Kohlenstoffabscheidung und -wiederverwendung sowie der breitere Einsatz von Lichtbogenöfen, die mit erneuerbarer Energie betrieben werden können.[32]

Nach EN 10020:2000 wird zwischen drei Hauptgüteklassen unterschieden:

• Unlegierte Stähle (unlegierte Qualitätsstähle, unlegierte Edelstähle). Unlegierte Stähle (in Produktbeschreibungen oft umgangssprachlich Kohlenstoffstahl (AHSS), Carbonstahl oder C-Stahl genannt) enthalten als Zusatz überwiegend Kohlenstoff und geringe Mengen an Legierungselementen wie beispielsweise Chrom, Kupfer, Nickel, Blei, Mangan oder Silizium. Je nach Legierungselement wird ein bestimmter Grenzwert[35] nicht überschritten. Sie werden eingeteilt in Stahlwerkstoffe zur späteren Wärmebehandlung sowie solche, die nicht für eine Wärmebehandlung vorgesehen sind.
• Legierte Stähle (legierte Qualitätsstähle, legierte Edelstähle). Mindestens ein Legierungselement erreicht oder überschreitet seinen jeweiligen Grenzwert.
• Nichtrostende Stähle, d. h. Stähle mit einem Massenanteil von mindestens 10,5 % Chrom und höchstens 1,2 % Kohlenstoff

Die Kurznamen der Stähle sind in der EN 10027 festgelegt. Heute werden ca. 2500 verschiedene Stahlsorten hergestellt, von denen etwa 2000 erst in den letzten zehn Jahren entwickelt wurden.

Die Stahlwerkstoffe werden nach den Legierungselementen, den Gefügebestandteilen und den mechanischen Eigenschaften in Gruppen eingeteilt.

Weitere wichtige Eigenschaften für den Anwender sind die Einsatzbereiche und Verwendungsmöglichkeiten der Stähle. Daher ist auch eine Kennzeichnung sinnvoll, aus der diese hervorgeht:[36][37]

• Baustahl – Baustähle machen über die Hälfte der weltweiten Stahlproduktion aus. Sie sind die Standardsorte, die vor allem zum Bauen von Gebäuden und Maschinen verwendet wird, sofern keine besonderen Anforderungen bezüglich Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder anderen Eigenschaften vorliegen. Es gibt unlegierte (allgemeine/normalfeste) Baustähle und legierte Baustähle. Baustähle haben häufig sehr niedrige Kohlenstoffgehalte.
• Einsatzstahl – Vorgesehen für eine Einsatzhärtung der Randschichten des fertigen Werkstücks. Dadurch steigt der Kohlenstoffanteil, der vorher bei lediglich 0,1 und 0,2 % lag, im Randbereich auf bis zu 0,8 %. Der Kern des Werkstücks bleibt zäh und bruchfest, da nur die äußere Schicht gehärtet und somit spröde wird.[38] Besonders häufig verwendet werden Einsatzstähle für Kleinteile sowie verschleißfeste Bauteile mit dynamischer Beanspruchung.
• Vergütungsstahl – Der Kohlenstoffanteil liegt zwischen 0,1 und 0,6 %. Diese Stähle besitzen eine gute Eignung zur Vergütung, einer speziellen Wärmebehandlung zum Härten beziehungsweise vollständigen Durchhärten des Stahles. Anwendung findet diese Produktionsmethode für Zahnräder.[38] aber auch für hochbelastete Bauteile, wie z. B. Turbinen von Wasserkraftwerken.
• Nitrierstahl ist zur Härtung durch Nitrieren vorgesehen. Der Kohlenstoffgehalt liegt um 0,3 %. Anwendung für auf Verschleiß beanspruchte Teile.
• Werkzeugstahl – Wird zur Herstellung von Werkzeugen, Gesenken und Gussformen verwendet und zeichnet sich durch eine größere Härte aus.
• Nichtrostender Stahl – Diesen gibt es als ferritischen, als austenitischen, als martensitischen und als Duplex-Stahl. Ersterer wird durch Legieren von mindestens 10,5 Prozent Chrom erzeugt. In austenitischen nichtrostenden Stählen ist zusätzlich Nickel legiert. Austenitische Stähle sind bei Raumtemperatur nicht magnetisch.
• Säurebeständiger Stahl – Ab einem Chromgehalt von mindestens 17 % säure- und laugenbeständig; Verwendung: z. B. Abfüllanlagen für Putzmittel.

Die DIN EN 10079 (Begriffsbestimmung für Stahlerzeugnisse) unterscheidet die Stahlerzeugnisse in flüssigen Stahl, festen Rohstahl und Halbzeug, Flacherzeugnisse, Langerzeugnisse und andere Erzeugnisse.[39]

Flacherzeugnisse haben einen rechteckigen Querschnitt, dessen Breite deutlich größer als seine Dicke ist. Sie werden unterteilt in

• warmgewalzte Breitflachstähle, Bleche und Bänder ohne Oberflächenveredelung, hergestellt durch Warmwalzen von Halbzeug
• kaltgewalzte Bleche und Bänder ohne Oberflächenveredelung, hergestellt durch Kaltwalzen (die Querschnittsverminderung beträgt im Allgemeinen mehr als 25 %), mit den Sonderformen
  • Elektrobleche und -bänder mit definierten magnetischen Eigenschaften (kornorientiert oder nicht-kornorientiert)
  • Verpackungsbleche und -bänder aus weichem unlegiertem Stahl (ein- oder zweifach kaltgewalzt; als Tafel oder Rolle; z. B. Feinstblech, Weißblech, spezialverchromtes Blech mit 0,17 – 0,49 mm und verzinntes Blech mit über 0,5 mm Stärke)
• Flacherzeugnisse mit Oberflächenveredelung, warm- oder kaltgewalzt, z. B. mit Beschichtung als
  • metallische Überzüge durch Schmelztauchen (Feuerverzinken oder Feueraluminieren) oder elektrolytische Metallabscheidung (mit Zink oder Nickel)
  • organische Beschichtungen (Lacke, Pulverbeschichtung etc.)
  • anorganische Beschichtungen (Email)
• zusammengesetzte Erzeugnisse (plattierte Bleche und Bänder, Sandwichbleche und -elemente).

Nach Materialstärke werden Flacherzeugnisse in Feinblech und -band bis 3 mm Dicke und Grobblech und -band ab 3 mm Dicke unterteilt.

Die Dichte von Stahl beträgt 7,85–7,87 g/cm³ (7850–7870 kg/m³).

Der Schmelzpunkt von reinem Eisen liegt bei 1536 °C, durch Zugabe von Legierungselementen verringert sich in der Regel der Schmelzpunkt von Stahl und liegt bei 2 % Kohlenstoff nur noch bei 1400 °C. Aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ersichtlich, hat Stahl genaugenommen wie die meisten Legierungen keinen genauen Schmelzpunkt: Bei Temperaturen oberhalb der Liquiduslinie (oberste Linie im Diagramm) ist der Werkstoff vollständig flüssig, zwischen der Liquidus- und Soliduslinie (zweitoberste Linie) liegt er teilweise flüssig und fest vor. Erst bei Unterschreiten der Soliduslinie liegt nur noch fester Werkstoff vor.

Die elektrische Leitfähigkeit von Stahl ist etwas geringer als die von reinem Eisen mit 10·10⁶ S/m. So hat Stahl C15 (mit 0,15 % Kohlenstoff) 9,3·10⁶ S/m, Stahl C35 8,6·10⁶ S/m und Stahl C60 7,9·10⁶ S/m. Die Leitfähigkeit sinkt also merklich mit steigendem Anteil von Kohlenstoff, bleibt aber deutlich über der von rostfreiem Stahl mit 1·10⁶ S/m.[41]

Spannungs-Dehnungs-Diagramm für gewöhnlichen Stahl. R_eL ist die Streckgrenze, R_m die Zugfestigkeit, A die Bruchdehnung.

Stahl gilt als sehr fester, aber auch „weicher“ Werkstoff, während das verwandte Gusseisen als hart und spröde gilt. Festigkeit ist die auf den Querschnitt bezogene Kraft, die der Werkstoff ertragen kann, bevor er versagt (Reißen, Brechen etc.). Bauteile aus Stahl können also hohe Kräfte übertragen. Stahl gilt als „weich“ also verformbar: Bevor Stahl bricht, verformt er sich, wobei diese Verformung bei Stahl sehr groß sein kann. Gusseisen dagegen bricht ohne vorherige Verformung. Stahl hat daher große Sicherheitsreserven gegenüber Bruch, weshalb er bei wichtigen Fahrzeugteilen genutzt wird (Lenkung, Fahrwerk, Antrieb).

Die Festigkeit liegt bei den am häufigsten verwendeten Stählen, den unlegierten Baustählen, zwischen 180 und 350 N/mm². Sie nimmt mit steigendem Gehalt an Kohlenstoff und sonstigen Legierungselementen zu. Das Verformungsverhalten von Werkstoffen wird in Spannungs-Dehnungs-Diagrammen festgehalten. Dabei wird die Kraft auf eine Materialprobe langsam erhöht und die Längenänderung gemessen. Im Diagramm wird die Mechanische Spannung (Kraft geteilt durch Querschnittsfläche) und die Dehnung (Längenänderung relativ zur Ausgangslänge) aufgetragen. Baustähle weisen eine ausgeprägte Streckgrenze auf: Die Spannung steigt zunächst proportional zur Dehnung und fällt dann plötzlich geringfügig ab. Das Maximum der Geraden im Diagramm ist die Streckgrenze, bis zu der Stähle im Gebrauchsfall genutzt werden sollen. Für die Bearbeitung durch Walzen und Schmieden muss sie überschritten werden.

Hochfeste Stähle können Festigkeiten über 1000 N/mm² erreichen. Manche besondere Sorten, wie die für Klaviersaiten, erreichen sogar über 1800 N/mm².[42][43][44] Stahl ist somit weit fester als Holz, Beton und Stein. Auch die auf die Dichte bezogene Festigkeit, die Spezifische Festigkeit, ist bei Stahl sehr hoch gegenüber diesen Werkstoffen. Konstruktionen aus Stahl sind somit bei vorgegebener bzw. erforderlicher Tragfähigkeit leichter. Übertroffen wird Stahl nur noch von einigen Leichtmetallen wie Aluminium, Magnesium oder Titan.[45] Von allen bekannten Werkstoffen zählen Stähle zu denen mit der höchsten Festigkeit. Ähnliche, aber geringere Werte erreichen neben Aluminium-, Magnesium- und Titanlegierungen noch CFKs, mit Kohlenstofffasern verstärkte Kunststoffe.[46]

Die Bruchdehnung, also die Dehnung beim Bruch (Ende der Kurve im Spannungs-Dehnungs-Diagramm), kann bei Tiefziehstahl mit geringer Festigkeit 50 % betragen, höherfeste Stähle (AHSS) haben in der Regel dagegen geringere Bruchdehnungen; Baustähle dehnen sich also sehr weit, bevor sie brechen. Im Gegensatz dazu brechen Gusseisen und Keramik bei Überschreiten der Festigkeit ohne vorherige plastische Verformung.[47]

Der Elastizitätsmodul von gewöhnlichen ferritischen Stählen beträgt 210 GPa (2,1·10⁵ N/mm²). Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm ist er als Steigung der Geraden zu erkennen. Der E-Modul ist damit etwas höher als der von Gusseisen (170 GPa) und deutlich höher als der von Aluminiumlegierungen (70 GPa). Übertroffen wird Stahl nur von wenigen Werkstoffen, darunter Hartmetalle (ca. 500 GPa) und Diamant (900 GPa).[48]

Die Härte kann bei Stahl in großen Bereichen variieren und Vickershärten zwischen 80 und 940 HV erreichen. Weichgeglühte Vergütungsstähle erreichen Härten von 150 bis 320 HV (150 bis 300 Brinell, 1 bis 33 Rockwell), vergütete (gehärtete) Vergütungsstähle liegen bei etwa 210 bis 650 HV. Werkzeugstahl erreicht im gehärteten Zustand bis 840 HV. Im Vergleich dazu liegen Kupfer- und Aluminiumwerkstoffe zwischen 40 und 190 HV, während Hartmetalle 780 bis 1760 HV erreichen.[49] Typische Keramiken sind noch härter.

Technologische Eigenschaften beziehen sich auf die Be- und Verarbeitung. Im Einzelnen handelt es sich um die Gießbarkeit, Schmiedbarkeit, Zerspanbarkeit und Schweißbarkeit. Mit Ausnahme der Gießbarkeit sind sie bei den häufig genutzten Sorten gut bis sehr gut.

Stahlgussstück

Gießbarkeit ist die Eignung eines Werkstoffes, durch Gießen verarbeitet zu werden. Gemeint ist hier vor allem das Formgießen, bei dem die Formen schon die Gestalt der späteren Endprodukte enthalten, nicht das Gießen zu Barren.

Stahl lässt sich vergleichsweise schlecht gießen, weshalb er von allen in der Gießerei verwendeten Werkstoffen einen geringen Massenanteil hat und sowohl von Gusseisen als auch von Aluminium deutlich übertroffen wird, da sich beide viel besser gießen lassen. 2011[50] wurden in Deutschland ca. 220.000 Tonnen Stahl in Gießereien genutzt, während es bei Gusseisen ca. 4,2 Mio. Tonnen und bei Aluminium 840.000 Tonnen waren.

Spezielle Stahlsorten für Gießereien werden als Stahlguss bezeichnet. Er neigt zu Warmrissen, die nur mit gießtechnischer Erfahrung beherrschbar sind. Außerdem ist der Schmelzpunkt mit 1580 °C bis 1680 °C sehr hoch (Gusseisen 1100 °C, Aluminiumgusslegierungen um 600 °C), was zu einem hohen Energiebedarf beim Schmelzen führt und zu hohen thermischen Belastungen der Formen und Anlagen. Stahl neigt beim Formgießen zu Oberflächenanbrennungen mit der Form und es sind große Speiser nötig um den Volumenverlust bei der Abkühlung in der Form auszugleichen. Nach dem Erstarren lassen sich die Speiser nur schwer wieder abtrennen. Gegossene Werkstücke aus Stahl sind wegen des hohen Fertigungsaufwandes etwa dreimal teurer als solche aus Gusseisen, obwohl wegen der höheren Festigkeit weniger Material benötigt wird.[51]

Schmieden von glühendem Stahl

Umformbarkeit ist die Eignung eines Werkstoffes, sich durch die Verfahren der Umformtechnik bearbeiten zu lassen. Das mit Abstand wichtigste Verfahren der Gruppe ist das Schmieden, weshalb auch von Schmiedbarkeit gesprochen wird. Zu der Gruppe zählen aber auch das Biegen, Walzen, Tiefziehen, Fließpressen und viele weitere.

Die Umformbarkeit ist umso besser, je geringer die nötigen Kräfte sind und je stärker sich der Werkstoff verformen kann, ohne zu brechen oder reißen. Die zur Umformung benötigte Kraft wird üblicherweise auf die Querschnittsfläche bezogen und als Fließspannung angegeben. Die maximale Dehnung, die ein Werkstoff ertragen kann, ist die Bruchdehnung.

Bei einfachen Baustählen ist die Fließspannung vergleichsweise gering und die Bruchdehnung sehr hoch. Bei hochfesten Stählen ist die Fließspannung naturgemäß höher, es werden aber auch deutlich festere Werkstoffe geschmiedet, darunter Titan-, Nickel- und Kobalt-Legierungen. Die Bruchdehnung ist meist umso kleiner je fester ein Stahl ist. Eine Ausnahme sind die TRIP-Stähle mit geringer bis mittlerer Fließspannung und hoher Bruchdehnung. Bei den meisten Stahlsorten ist die Fließspannung als gering einzustufen. Dazu zählen neben den Baustählen die Warmarbeitsstähle und Automatenstähle. Aluminium- und Magnesiumlegierungen liegen in einem ähnlichen Bereich. Die Bruchdehnung kann jedoch stärker schwanken: Bei Automatenstählen ist sie sehr gering, bei Warmarbeitsstählen fast genauso gut wie bei Baustählen.

Beim Kaltumformen steigt die Fließspannung und somit auch die nötige Kraft je höher der Umformgrad (die Verformung) ist. Der Effekt wird als Kaltverfestigung bezeichnet und kann genutzt werden um besonders feste Werkstücke zu schmieden. Der genaue Zusammenhang zwischen Fließspannung und Umformgrad wird in Fließkurven festgehalten. Bei höheren Temperaturen sinkt bei fast allen Stählen sowohl die Fließspannung als auch die Verfestigung. Beim Warmumformen steigt die Fließspannung bereits bei geringen Umformgraden gar nicht mehr. Bei Stählen tritt dies bei Temperaturen von etwa 1100 °C auf.[52][53][54]

Fräsen von Stahl

Die Zerspanbarkeit ist die Eignung eines Werkstoffes, sich durch Zerspanen (Fräsen, Drehen, Hobeln, Bohren, Schleifen) bearbeiten zu lassen. Sie hängt ab vom Kohlenstoffgehalt, den sonstigen Legierungselementen und dem Wärmebehandlungszustand. Stähle mit einem sehr niedrigen Kohlenstoffgehalt neigen zum Verkleben mit der Schneide und bilden lange Bandspäne, die sich in der Maschine verfangen können. Sie führen jedoch zu geringen Zerspankräften, aber auch zu schlechten Oberflächen. Bei mittleren Kohlenstoffgehalten (0,2 % bis 0,6 %) gibt es keine Probleme mit Verklebungen. Die Schnittkräfte steigen, die Oberflächen werden besser und die Späne kürzer. Dafür nimmt der Verschleiß der Werkzeuge zu. Stähle mit einem hohen Kohlenstoffgehalt führen zu hohen Kräften und Temperaturen sowie zu einem hohen Verschleiß. Die Oberflächenqualität und der Spanbruch sind jedoch gut. Elemente wie Phosphor, Blei und Schwefel begünstigen die Zerspanbarkeit, festigkeitssteigernde Elemente wie Nickel verringern sie. Im weichen (normalgeglühten) Zustand sind die meisten Stähle relativ gut zu zerspanen, im vergüteten oder gehärteten Zustand ist der Verschleiß dagegen sehr hoch, was teure Werkzeuge aus Schneidkeramik oder Bornitrid erfordert.

Schweißen

Die Schweißeignung gibt an, wie gut sich ein Werkstoff schweißen lässt. Vor allem die un- und niedrig legierten Baustähle lassen sich sehr gut schweißen, was ein wichtiger Grund für ihre weite Verbreitung ist, da Verbinden durch Schweißen deutlich kostengünstiger ist als durch andere Verbindungstechniken wie Schrauben oder Nieten. Höherlegierte Stähle können beim Schweißen problematisch sein. Als grobe Abschätzung, ob ein Stahl geschweißt werden kann, kann das Kohlenstoffäquivalent genutzt werden, das den unterschiedlichen Einfluss der verschiedenen Legierungselemente berücksichtigt. Aluminium lässt sich meist deutlich schlechter schweißen als Stahl.[55]

Glühkurve Spannungsarmglühen

Thermische Verfahren ändern die Mikrostruktur durch rein thermische Einflüsse, ohne zusätzlich die chemische Zusammensetzung zu ändern und ohne gleichzeitige mechanische Bearbeitung.[56]

• Glühen: Zum Glühen zählt eine Reihe von Verfahren bei denen die Werkstücke zuerst erwärmt werden, eine gewisse Zeit auf Glühtemperatur gehalten werden und schließlich abgekühlt werden. Verfahrensparameter sind vor allem die Glühtemperatur- und -dauer sowie die Abkühlgeschwindigkeit. Die genauen Ergebnisse hängen mit der jeweiligen Legierungszusammensetzung und ihrem genauen Zustand ab. Vorangegangene Wärmebehandlungen können größeren Einfluss auf das Ergebnis haben.
  • Spannungsarmglühen, verringert oder beseitigt durch umformende Bearbeitung entstandene Eigenspannungen und wird bei relativ geringen Temperaturen von 550 °C bis 660 °C für 2 bis vier Stunden durchgeführt. Andere Eigenschaftsänderungen werden vermieden.
  • Weichglühen, verringert die Härte, vor allem um die nachfolgende spanende Bearbeitung zu erleichtern. Lamellarer Zementit wandelt sich dabei in eine kugelige Form um.
  • Normalglühen (Normalisieren) erzeugt ein gleichmäßiges, feinkörniges Gefüge. Gefügeveränderungen durch vorangegangene Bearbeitungen werden dadurch beseitigt.
  • Grobkornglühen vergrößert Körner im Gefüge, was mit einem Abfall der Festigkeit verbunden ist. Es wird vor einer spanenden Bearbeitung angewandt.
  • Lösungsglühen verringert ungleichmäßige Verteilungen der Legierungsbestandteile. Durch Diffusion wandern Atome von Bereichen mit hoher Konzentration zu Bereichen niedriger Konzentration. Meist entsteht dadurch Grobkorn, das durch Warmumformung (Schmieden) oder Normalisieren beseitigt werden kann.
  • Rekristallisationsglühen dient zur Beseitigung der Kaltverfestigung und verbessert dadurch die Umformbarkeit stark verformter Werkstoffe.
• Härten ist eine Prozessfolge aus Austenitisieren (um 800 °C), Abschrecken (schnelles Abkühlen) und Anlassen (Erwärmen auf 180 bis 300 °C). Durch das Abschrecken wird der Stahl sehr hart, aber auch spröde. Das anschließende Anlassen verringert die Sprödigkeit. Kohlenstoffgehalte ab 0,2 %.
• Vergüten ist mit dem Härten verwandt. Das Anlassen erfolgt bei 450 bis 650 °C, Kohlenstoffgehalte zwischen 0,3 % und 0,8 %.
• Bainitisieren: Erzeugung von Bainit im Gefüge.
• Randschichthärten: Die Randschichten werden dabei schnell erwärmt während die inneren Schichten wegen der begrenzten Wärmeleitfähigkeit kalt bleiben. Varianten sind das Flammhärten, Induktionshärten, Laserstrahlhärten und Elektronenstrahlhärten.

Aufbau nitrierter Schichten: Oben die Randschicht, unten das Innere des Werkstoffes

Sie verändern den Stahl auch chemisch. Folgende Verfahren werden angewandt:[57]

• Aufkohlen erhöht den Kohlenstoffgehalt, vor allem in den Randschichten, was Härte und Festigkeit erhöht.
• Carbonitrieren erhöht den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt in der Randschicht.
• Nitrieren bildet in der Randschicht Nitride (Stickstoffverbindungen).
• Einsatzhärten besteht aus der Folge Aufkohlen, Härten, Anlassen. Die entsprechenden Stähle werden als Einsatzstahl bezeichnet.
• Borieren ist ein Härteverfahren das auf dem Einbringen von Bor basiert.

Thermomechanische Verfahren basieren auf einer mechanischen Bearbeitung (Schmieden, Walzen) kombiniert mit einer Wärmebehandlung. Von Bedeutung ist das Austenitformhärten, das zur Festigkeitssteigerung dient.[58]