Warum ist Stahl fester als Eisen, er jat doch nur 2 Prozent Kohlenstoff?

Gibt sogar Stahl mit weniger Kohlenstoffanteil.

Legierungselement beeinflussen idr die Kristallstruktur der Legierung was die Eigenschaften verändert, dabei kann die Härte Zähigkeit usw angepasst werden.

Du darfst dir das also jetzt nicht so denken, dass der Kohlenstoff selbst das Eisen härter macht sondern der Kohlenstoff ändert durch seine Anwesenheit die Bindung zwischen dein Eisenatomen und verändert so die Eigenschaften.

Es hat nur 2 Gewichtsprozent.

Aber das molgewicht von Eisen ist 56g und von Kohlenstoff ist 12g. Das heißt die 2 Gewichtsprozent entsprechen 10 Mol-Prozent, also jedes 10. Atom ist Kohlenstoff. Das ist nicht wenig.

Aber, vereinfacht, es ist stabiler weil es Atome in unterschiedlichen Größen enthält. Weil die sich dann besser Anordnen können.

2 % Kohlenstoff sind schon ne Obergrenze für den Kohlenstoffgehalt im Stahl. Dabei geht es von 0,2 - 2,1 %. Der Kohlenstoff lagert sich in die Kristallstruktur des Eisens ein, wodurch sich das ganze verspannt. Je nach "Aufenthaltsort" des C im Eisengefüge spricht man dann von "kubisch flächenzentriert", kubisch raumzentriert, etc. Nur Eisen und C sind dann unlegierte Kohlenstoffstähle. Es gibt natürlich auch Stähle mit anderen Legierungspartnern, wie Chrom, Nickel, Mangan, Kobalt, etc. Dann spricht man von legierten Stählen. Es gibt kaum einen Werkstoff, bei dem sich die Eigenschaften und Festigkeiten so sehr unterscheiden, wie bei den vielen Stählen. Manche Stähle kann man mit dem Taschenmesser bearbeiten, andere sind fast unzerstörbar. Stahlgefüge baut sich aus Kristalliten auf, die an den Rändern mehr oder weniger verbunden sind. Stahl ist also kein "Einkristall". Je kleiner die Kristallite und mehr Verbindungspunkte zwischen ihnen, desto höher die Festigkeit. So kommt man auf Zugfestigkeiten bis ca. 2500 N/mm2. Reines Eisen als "Einkristall", hätte eine theoretische Zugfestigkeit von gut 20.000 N/mm2. Wird aber so nicht hergestellt.

Bei wesentlich mehr als 2,1 % C kommt man in den Bereich von Gusseisen. Das hat wieder andere Eigenschaften, ist relativ billig.

Das selbst kleinste Mengen Legierungspartner die Eigenschaften verändern ist oft ein alter Hut. Wenn man zu Titan z.B. 0,1 - 0,2 % Ruthenium zulegiert, verbessert sich die Chemikalienbeständigkeit von Titan um das 100-fache! Erstaunlich.

Kristallgefüge können durch sehr kleine Beifügungen deutlich beeinflusst werden. Aus Kupfer stellt man zum Beispiel Werkzeuge her, die keine Funken erzeugen. Reines Kupfer ist für diesen Zweck aber viel zu weich. Durch eine Beimengung von weniger als 2 Prozent Beryllium kann man ein erheblich härteres Material erhalten.

Jetzt musst du genauer werden, Stahl ist eine besondere Vergütungsstufe vom Eisen,

dadurch werden besondere Eigenschaften hervorgehoben, Reine Metalle haben in der Regel kein ideales Verhalten. (Titan und Platin mal ausgenommen)