Arbeitsblatt · Metalltechnik
Werkstoffkunde Stahl · A4 · 4 Seiten · Cmd/Strg+P → druckfertig.
LERNFELD
MT · WST · AB 03
Schuljahr 2025/26

Metalltechnik · Werkstoffkunde

Der Werkstoff Stahl

Aufbau, Eigenschaften, Legierung und der Zugversuch

Das lernst du auf diesem Arbeitsblatt

  • den atomaren Aufbau von reinem Metall und Legierung unterscheiden
  • erklären, wie Kohlenstoff die Eigenschaften von Stahl verändert
  • das Spannungs-Dehnungs-Diagramm lesen und beschriften
  • die Zugfestigkeit Rm aus Kraft und Querschnitt berechnen
Aufträge

Arbeitsaufträge

EINZELARBEIT PARTNER · A 5 CA. 45 MIN
  • Lies den Sachtext M1 und vergleiche das Atombau-Bild M2. Erkläre in Antwortkachel ①, warum Stahl härter ist als reines Eisen.
  • Vervollständige den Lückentext mithilfe von M1 und dem Wortspeicher.
  • Beschrifte im Diagramm M3 die vier markierten Stellen ①–④ und fülle die Tabelle der Legierungselemente aus.
  • Berechne die Zugfestigkeit Rm (Rechenaufgabe) und entscheide bei den Aussagen: richtig oder falsch?
  • Bearbeite zum Schluss die ★ Sternchenaufgabe und fülle die Selbsteinschätzung ehrlich aus.
M1

Sachtext: Stahl als Werkstoff

QUELLE · SACHTEXT

Stahl ist der wichtigste metallische Werkstoff der Technik. Er besteht überwiegend aus Eisen (Fe) und enthält bis zu 2,06 % Kohlenstoff (C). Schon dieser geringe Kohlenstoffanteil verändert die Eigenschaften erheblich.

Reines Eisen ist weich und gut verformbar: Seine Atome sitzen in gleichmäßigen Schichten, die leicht aneinander vorbeigleiten. Baut man Fremdatome ein, werden diese Schichten verzerrt — sie gleiten schwerer. Der Werkstoff wird härter und fester.

Je mehr Kohlenstoff der Stahl enthält, desto härter und fester wird er — gleichzeitig sinken jedoch seine Zähigkeit, Verformbarkeit und Schweißbarkeit. Deshalb lassen sich Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt nur schwer schweißen.

Durch das Zulegieren weiterer Elemente werden die Eigenschaften gezielt eingestellt. Chrom (Cr) macht Stahl korrosionsbeständig („rostfrei"), Nickel (Ni) erhöht die Zähigkeit, Mangan (Mn) verbessert Festigkeit und Verschleiß. Solche Werkstoffe heißen legierte Stähle.

Wie belastbar ein Stahl ist, prüft man im Zugversuch: Eine genormte Probe wird langsam auseinandergezogen, die Kraft wird gemessen. Das Ergebnis ist das Spannungs-Dehnungs-Diagramm (M3). Im elastischen Bereich kehrt die Probe nach Entlastung in ihre Form zurück. An der Streckgrenze (Re) beginnt die bleibende Verformung. Die höchste Spannung ist die Zugfestigkeit (Rm). Danach schnürt die Probe ein, bis sie bricht.

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M2

Erklärbild: Reines Metall und Legierung im Vergleich

ATOMBAU · VERGLEICH REINES METALL LEGIERUNG Nur eine Atomart Gleichmäßige Schichten Schichten gleiten leicht aneinander vorbei Verformbar (weich) EISEN (Fe) Mischung aus Metallen Verzerrte Schichten Schichten gleiten nicht leicht Viel härter STAHL (Fe + C …)

Fremdatome (Amber) verzerren das gleichmäßige Atomgitter. Die Schichten gleiten schwerer — der Werkstoff wird härter.

MERKE
  • Reines Eisen hat ein gleichmäßiges Atomgitter → die Schichten gleiten leicht → weich und gut verformbar.
  • Beim Legieren bauen sich Fremdatome ein → das Gitter wird verzerrt → die Schichten gleiten schwerer → härter und fester.
  • Mehr Kohlenstoff = härter, aber schlechter schweißbar und weniger zäh.
Auftrag 2

Lückentext: Vom Eisen zum Stahl

Wortspeicher

EisenKohlenstoffhärterweicher verzerrtSchichtenschweißenLegierung Chrom2,06 %

Stahl besteht überwiegend aus   und enthält bis zu    . Die Atome sind in   angeordnet. Baut man Fremdatome ein, wird das Gitter   und der Werkstoff wird  . Einen solchen Werkstoff nennt man  . Das Element   macht Stahl rostfrei. Bei hohem Kohlenstoffgehalt lässt sich Stahl nur schwer  .

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M3 · Auftrag 3

Diagramm: Spannung und Dehnung beschriften

DIAGRAMM · BESCHRIFTEN σ ε Spannung (N/mm²) Dehnung (%) 1 2 3 4

Trage die Fachbegriffe ein. Ordne ①–④ den Stellen im Kurvenverlauf zu.

1
2
3
4
Auftrag 3

Legierungselemente und ihre Wirkung

ElementSymbolWirkung im Stahl
ChromCr
Nierhöht die Zähigkeit
Mangan
KohlenstoffC
Auftrag 4

Rechnen: Zugfestigkeit bestimmen

RECHNEN

Gegeben

  • Höchstkraft F = 30 000 N
  • Querschnitt S0 = 50 mm²

Formel

Rm = F / S0

Lösungsweg

Rm =                   N/mm²
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Auftrag 4

Richtig oder falsch?

Aussage
richtig
falsch
Reines Eisen ist härter als legierter Stahl.
Ein höherer Kohlenstoffgehalt verschlechtert die Schweißbarkeit.
Chrom macht Stahl korrosionsbeständig („rostfrei").
Die Zugfestigkeit Rm ist die höchste ertragbare Spannung der Probe.
Fremdatome lassen die Atomschichten leichter gleiten.
Antworten

Deine Antworten

1Warum ist Stahl härter als reines Eisen? (Atombau)
2Nenne ein Bauteil und begründe die Werkstoffwahl.

Sternchenaufgabe · für Profis

Ein Hersteller sucht einen Werkstoff für eine Messerklinge, die hart bleiben und nicht rosten soll. Welche zwei Legierungselemente schlägst du vor? Begründe mit M1.

Reflexion

Selbsteinschätzung

Das kann ich …
… den Aufbau von reinem Metall und Legierung erklären.
… beschreiben, wie Kohlenstoff die Eigenschaften ändert.
… das Spannungs-Dehnungs-Diagramm beschriften.
… die Zugfestigkeit Rm berechnen.
QR-Code zum Erklärvideo Zugversuch

Erklärvideo zum Zugversuch

Scanne den Code mit dem Smartphone und sieh dir den Zugversuch als kurzes Video an.
Quellen: Atombau-Schema, Diagramm und QR-Code — eigene Darstellung im CD der BBS II Göttingen. Sachtext nach Lehrplan Metalltechnik, Lernfeld Werkstofftechnik.

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