Was den Stahl zum Stahl macht
Entscheidend für die Eigenschaften eines Metalls ist sein Kristallgitter
Heute tauchen wir ein in die Welt der Metallografie. Auf der Ebene der Moleküle finden wir das, was, wie Goethe seinen Faust sagen ließ, „die Welt im Innersten zusammenhält“: es sind die Kräfte zwischen den Atomen. Indem sie das innere Gefüge der Metalle festlegen, bestimmen sie über deren äußere Eigenschaften. Das lehren uns die Werkstoffwissenschaften. Um die Kristallstruktur der Metalle soll es heute gehen. |
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| Schmieden heißt: das Metallgefüge verändern |
Die Menschheit hat über die Jahrtausende gelernt, Änderungen im natürlichen Gitter des Eisens herbeizuführen: der Schmied tut es, indem er das Material hämmert, immer wieder faltet, erwärmt und abschreckt. Wissenschaftlich ausgedrückt manipuliert er das Metallgefüge mit Hilfe von Druck und Temperatur (wobei hier nicht allein die richtige Temperatur wichtig ist, sondern auch die Geschwindigkeit und Dauer der Temperaturveränderung). Im Stahlwerk wird das innere Gefüge des Roheisens dadurch manipuliert, dass das „Blasen“ mit Sauerstoff ihm einen Teil des Kohlenstoffs entzieht, was das zuvor brüchige Roheisen in formbaren Stahl umwandelt. |
| "Wohngemeinschaft" der Atome |
Wie alle festen Stoffe hat Eisen ein festes Gitter. Darin besetzen die Atome wie, sagen wir, Bewohner einer Wohngemeinschaft bestimmte „Zimmer“, Punkte im Gitter sind das, und über ihre ausgestreckten „Arme“ stehen sie zueinander in Verbindung beziehungsweise halten sich gegenseitig auf Distanz. Um es gleich zu sagen: eigentlich ist dieses Bild falsch. Nicht nur, dass der Vergleich der Atome mit Menschlein, "Homunculi" in der Sprache Goethes, hinkt. Auch ist es keineswegs so, dass die Atome auf bestimmten Plätzen fest sitzen. Vielmehr schwingen sie um nur statistisch definierbare Orte herum. |
| Ferrit und Austenit |
Die Metallografen haben den Gitterformen des Eisens Namen gegeben, zum Beispiel Ferrit und Austenit oder Zementit, Perlit und Ledeburit, um nur wenige zu nennen. Je nach den Gegebenheiten im Metall, etwa seinem Kohlenstoffgehalt, nach der Temperatur beim Verhüttungsvorgang und nach der Geschwindigkeit der Abkühlung bildet sich ein bestimmter Gittertyp oder eine bestimmte Mischung unterschiedlicher Gittertypen. Das zeigt das berühmte Eisen-Kohlenstoff-Diagramm. |
| Namen der Eisenerze |
Das allein ist schon kompliziert genug. Erschwert wird die Sache mit Ferrit, Austenit usw. aber noch dadurch, dass die Eisenerze ganz ähnlich klingende Namen haben, etwa Magnetit, Hämatit, Siderit oder Pyrit . Die benenen jedoch nicht die Gitterstruktur, sondern den Gehalt an Fremdstoffen in den "Zimmern" der Wohngemeinschaften. Pyrit zum Beispiel ist definiert durch einen hohen Gehalt an Schwefel; Magnetit enthält nur vergleichsweise wenig Fremdstoffe (aus ihm besteht die Lagerstätte im schwedischen Kiruna mit einem Eisengehalt von bis zu 72 Prozent). |
Abhängig von der Temperatur bei der Verhüttung entwickelt das Eisen unterschiedliche Gitter: Bis 911 Grad Celsius tritt es als Ferrit auf (Alpha-Eisen), darüber bis 1391 Grad wandelt es sich zum Austenit um (Gamma-Eisen), um wiederum darüber bis 1535 Grad zu Ferritzu werden, diesmal jedoch zu einem anderen Ferrit-Typ (Delta-Eisen). Von 1536 Grad an bricht das Gitter auseinander - das zuvor feste Metall wird flüssig. Bei der Abkühlung verläuft die Umwandlung in umgekehrter Folge von Delta- über Gamma- zu Alpha-Eisen. Wobei je nach den oben genannten Gegebenheiten sich an den Phasenübergängen Mischkristalle herausbilden, die wiederum ihre besonderen Eigenschaften haben. |
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| Atomium in Brüssel: 165-milliardenfach vegrößertes Eisengitter |
Ferrit und Austenit sind beides winzige Würfelchen, allerdings unterscheiden sie sich: beim Ferrit liegt das kubisch-raumzentrierte Gitter (krz) vor, bei dem acht Fe-Atome ein C-Atom umgeben; beim Austenit mit seinem kubisch flächenzentrierten Gitter (kfz) hingegen sind es zwölf C-Atome. Wie das kubisch flächenzentrierte Gitter aussieht, zeigt das Atomium in Brüssel in 165-milliardenfacher Vergrößerung. Zur Weltausstellung von 1958 wurde es als eine Stahlkonstruktion aus Kugeln und Röhren errichtet. Architekt war André Waterkeyn, der damit ein Symbol für das Atomzeitalter und die friedliche Nutzung der Kernenergie errichten wollte. |
| Gitter mit Störungen | Das Interessante für die Bearbeitung von Eisen ist nun, dass diese winzigen Würfelgitter keineswegs perfekt sind. Vielmehr tragen sie Störungen in sich. Das können zum Beispiel Fehlstellen sein, wo ein Platz im Gitter frei geblieben ist. Dieser Fehlstellen bedient sich der Schmied, indem er sie Verschiebebahnhof für die Atome benutzt, wenn er mit seinen Hammerschlägen die Atomschichten durch die Gitter treibt. |
| Legierungen: ins Gitter eingebaute Fremdstoffe | Störungen könen auch Fremdatome sein, die sich an die Stelle von Eisenatomen gesetzt oder zwischen die Gitter"zimmer" eingeschmuggelt haben. Schon geringe Mengen von ihnen verändern die Eigenschaften des Gitters radikal. Die Metallografen wissen diesen Effekt zu nutzen und sprechen von Legierungen: Chrom verbessert die Härte und die Warmfestigkeit des Gitters, Nickel und Vanadium erhöhen die Zähigkeit, Molybdän und Wolfram wirken sich positiv auf die Warmfestigkeit beziehungsweise auf die Härte aus. |
| Stahl - auch nur eine Legierung des Eisens |
Übrigens: Stahl ist auch nur eine Legierung, nämlich Eisen mit Kohlenstoff, wobei der Kohlenstoff-Anteil hier weniger als zwei Prozent beträgt. Auf die Dosis der Legierung kommt es also an; reines Eisen hingegen wäre, wie praktisch alle reinen Metalle, für eine Verwendung ungeeignet. Eisen mit mehr als zwei Prozent Kohlenstoff verliert seine Schmiedbarkeit - als "pig iron" wurde es früher bezeichnet, bis man entdeckte, dass es, indem es gegossen wird, doch noch interessante Einsatzgebiete haben kann. Gusseisen mit seinem hohen Kohlenstoffgehalt prägte des Zeitalter der Glaspaläste und der Eisenbahnbrücken. |
| Berühmte VA-Legierungen | Viele Jahrhunderte brauchten die Menschen, um dem Innenleben des Eisens auf die Spur zu kommen. Heutzutage beherrschen die Wissenschaftler das Spiel mit den Unregelmäßigkeiten im Gitter so gut, dass sie beinahe jede Eigenschaft einstellen können. Ein wichtiger Erfolg auf diesem Weg waren jene rostfreien austenitischen Edelstähle, die der Physiker Benno Strauss und der Metallurge Edoard Maurer im Jahr 1912 in den Forschungslaboratorien der Firma Krupp entwickelten. Als „VA-Stähle“ wurden diese Legierungen mit Nickelgehalten von meist über acht Prozent sowie Chromanteilen von mindestens 18 Prozent berühmt. „VA“ steht für „Versuchs-Austenit“. Das Kürzel „V2A“ steht für eine Stahllegierung mit Eisen-Chrom-Nickel und „V4A“ für Eisen-Chrom-Nickel-Molybdän. |
 Das Deutsche Museum in München erklärt die Gitterstruktur der Metalle. |
Apropos: jede Eigenschaft einstellen. Die Natur hat der Wissenschaft hier doch sehr enge Grenzen gezogen. Denn die an Legierungen beteiligten Stoffe müssen nicht nur sich in der Schmelze vollständig miteinander mischen, sondern auch zueinander passende Gitterstrukturen sowie Ähnlichkeiten in ihren chemischen Eigenschaften haben. Das schränkt die Spielräume des wirklich Machbaren doch sehr stark ein, so dass ein Metall doch immer noch ein Metall bleibt. Schöne Geschichten zu erzählen gibt es zu der Frage, wie denn die Altvorderen sich die ihnen unbekannten Vorgänge in den Kristallgittern zusammenreimten. Zum Beispiel zum Zinn, das einst als Bestandteil der Bronze enorme Bedeutung hatte. Bei ihm gibt es eine kuriose Eigenschaft: bei bestimmter Verformung stößt es ein leises Geräusch aus, den so genannten „Zinnschrei“. |
| Der „Schrei“ des Zinns |
Die Alten, die nach den Maßgaben der Alchemie selbst im - nach heutigem Verständnis - toten Material Leben sahen, sprich: dort Zeugnisse für das Wirken des Schöpfers erwarteten, erklärten das Geräusch damit, dass Berggeister über das Ungemach beim Schmieden jammern würden. Wir wissen heute, dass der Zinnschrei dadurch entsteht, dass sich bei bestimmten Legierungen ruckartig Zwillingsstrukturen im Kristallgefüge bilden. |
| Zinnpest | Auch die Zinnpest basiert auf Veränderungen im Kristallgefüge: Unter einer Temperatur von 13 Grad ändern sich Teile der inneren Struktur des Metalls, was sich an der Oberfläche wie eine Art Ausschlag zeigt. Klar, dass die Alten meinten, das Zinn sei von einer Krankheit befallen worden. Napoleons Armee hatte mit dieser Eigenschaft des Metalls übrigens einige Schwierigkeiten, als sie in den russischen Winter geriet und den Soldaten die Knöpfe von den Mänteln abfielen. |
| Gedächtnislegierungen | Rätselhaft waren bis vor wenigen Jahren die so genannten Gedächtnismetalle aus neuerer Zeit. Diese Legierungen haben die Eigenschaft, dass sie, einmal verdrillt, ihre alte Form nach Erwärmung unvermittelt wieder einnehmen. Die Erklärung hat mit Übergängen zwischen Martensit und Austenit und mit Martensit-Zwillingen zu tun. |
| Zum Schluss noch eins: um weitere Eigenschaften des Eisens zu erklären, müssten wir nun noch unter die Ebene der Atome hinabsteigen, dort, wo die Elektronen um die Atomkerne kreisen. Die elektrische Leitfähigkeit, zum Beispiel, beruht darauf, dass bei den Metallen die Elektronen der äußeren Bahnen sehr viel „Auslauf“ haben, sich, bildlich gesprochen, an der langen Leine beinahe frei bewegen können. Der italienische Physiker Enrico Fermi (1901-1954) prägte dafür das Bild einer "Elektronenwolke". Legt man nun ein elektrisches Feld an, bewegt sich diese Elektronenwolke nicht mehr ungerichtet und wirr, sondern in Richtung des angelegten Feldes, so dass Ladungen "weitergereicht" werden können. Wir, die wir von ganz weit außen zuschauen, stellen fest, dass ein Strom fließt. |
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| Die Eigenschaften der Metalle sind eines der Themen in der Dauerausstellung des Deutschen Museums in München. Dort geht es auch um ihre Bearbeitung und um die Geschichte der Industrialisierung. Kristallgitter sind Thema im Mineralogischen Museum der Universität Kiel und im Museum Reich der Kristalle der Mineralogischen Staatssammlung München. Hier stehen jedoch die Minerale im Vordergrund; es geht nur am Rand um die Metalle. | |
| LINKS: Umwandlung krz- in kfz-Gitter (pdf) Kohlenstoff im kfz-Gitter Eisengitter (pdf) |
