Zuletzt aktualisiert: 11. Mai 2021

Stahl ist ein wichtiger Werkstoff, der in vielen Industrien, wie der Mobilität, dem Bauwesen oder der Energietechnik zum Einsatz kommt. Die Eisen-Kohlenstoff Legierung zeichnet sich dabei durch ihre anpassbaren Eigenschaften aus. Die Dichte von Stahl stellt eine wichtige physikalische Eigenschaft des Materials dar und wird für die Berechnung weiterer Größen, zum Beispiel der Masse, benötigt.

Doch welchen Wert nimmt die Stahldichte an? Wozu genau ist die Dichte notwendig und haben verschiedene Stahlsorten unterschiedliche Dichten? Auf diese und weitere Fragen findest du in unserem Beitrag alle wichtigen Antworten.




Das Wichtigste in Kürze

  • Die Dichte von Stahl liegt zwischen 7,85 und 7,87 g/cm3 (7850-7870 kg/m3). Damit hat Stahl eine ähnliche Dichte wie sein Hauptbestandteil Eisen.
  • Mithilfe der Dichte können die Masse und das Volumen des Stahls bestimmt werden. Dies ist wichtig, um die Eignung von Stahl als Baumaterial und den Materialbedarf optimal zu bestimmen.
  • Die Wahl der Materialien für die Legierung des Stahls hat Auswirkungen auf die Dichte. Diese sind jedoch sehr gering und führen lediglich zu kleinen Schwankungen des Dichtewertes (1).

Die Dichte von Stahl: Die wichtigsten Fragen und Antworten

Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, die sich durch einen Kohlenstoffgehalt von unter 2,1 % auszeichnet (2, 3). Die Eigenschaften von Stahl, wie Verformbarkeit und Härte, können durch das Variieren des Kohlenstoffanteils stark verändert werden (3). Dadurch zählt Stahl zu einem der wichtigsten metallischen Werkstoffe der Welt.

Warum ist die Dichte von Stahl relevant?

Die Dichte beschreibt eine physikalische Eigenschaft von Stoffen, die mit der Masse und dem Volumen zusammenhängt. Konkret bezeichnet sie die Massenkonzentration, also wie viele Teilchen sich auf einem bestimmten Raum befinden (4).

Das Besondere dieser drei Eigenschaften sind ihre Ortsunabhängigkeit. Das bedeutet, dass die Dichte, Masse und das Volumen eines Materials auf der Erde, im Weltraum oder auf dem Mond immer gleich sind (5).

Die Dichte ist eine wichtige Eigenschaft, da sie Auswirkungen auf die Beschaffenheit eines Werkstoffes hat.

Sie beeinflusst zum Beispiel die Zugfestigkeit und Bruchzähigkeit eines Materials (6). Diese Beschaffenheit muss je nach Verwendungszweck berücksichtigt werden, wodurch die Dichte einen wichtigen Stellenwert im Industriealltag hat.

Je nachdem welche Eigenschaften ein Werkstoff für ein bestimmtes Projekt benötigt, kann sich Stahl aufgrund seiner Dichte, und den Faktoren, die diese beeinflusst, dafür eignen oder eben nicht. Doch nicht nur für die Verwendbarkeit, sondern auch zur Berechnung anderer Größen, wie zum Beispiel des Gewichtes eines Bauteils, kann die Dichte verwendet werden.

Welche Dichte hat Stahl?

Die Dichte von Stahl wird im Allgemeinen mit 7850 kg/m3 angegeben. Jedoch schwankt der tatsächliche Dichtewert von Stahl grundsätzlich zwischen 7,85 und 7,87 g/cm3. Damit hat Stahl eine ähnliche Dichte, wie sein Hauptlegierungselement Eisen, das eine Dichte von 7,87 g/cm3 aufweist.

Allerdings gibt es einige wenige Ausnahmen von besonderen, hochlegierten Stählen, die aufgrund von dichteren Legierungen, wie zum Beispiel Nickel, etwas schwerer sind und eine etwas höhere Dichte aufweisen. Diese Stahlsorten können eine Dichte zwischen 7,9 und 8,1 g/cm3 annehmen.

Wie berechnet man die Dichte von Stahl?

Die Dichte von Stahl kannst du ganz einfach Tabellen im Internet oder Fachbüchern entnehmen, da sich dieser Wert nicht verändert. Jedoch lässt sich die Dichte auch mithilfe der Dichteformel berechnen. Diese lautet: p = m/V. Wobei p für die Dichte steht, m für die Masse und V das Volumen des Stoffes angibt. Hast du also das Volumen und die Masse gegeben, so kannst du die Dichte berechnen.

Gleichzeitig hilft dir der Wert der Dichte dabei Masse und Volumen zu berechnen, falls dir diese Werte nicht bekannt sind. Dazu muss nur die Formel umgestellt werden.

Vor allem im Bauwesen ist Stahl ein wichtiger Werkstoff. Ob Stahl sich für ein Projekt eignet, wie viel Material benötigt wird und wie viel die Bauteile wiegen, kann auch von der Dichte bestimmt werden. (Bildquelle: Scott Blake/ Unsplash)

Demnach muss für die Berechnung des Volumens die Masse durch die Dichte geteilt werden und zur Berechnung der Masse die Dichte mit dem Volumen multipliziert werden. Obwohl das Gewicht aufgrund seiner Ortsabhängigkeit nicht mit der Masse gleichgesetzt werden kann, wird es über dieselbe Formel wie die Masse berechnet.

Ein Aspekt der häufig zu Unklarheiten führt, ist die Einheit, in der die Dichte angegeben wird. Normalerweise wird die Dichte in kg/m3 dargestellt. Diese Zahlen sind jedoch sehr groß und so kann teilweise die Darstellung des Wertes in einer anderen Einheit von Vorteil sein. Im Folgenden haben wir die wichtigsten Einheiten in einer Tabelle für dich zusammengefasst.

Einheit Wert der Stahldichte
kg/m3 7850
kg/dm3 7,85
kg/mm3 0,00000785
g/cm3 7,85
g/mm3 0,00785
g/m3 7.850.000

Bei der Umrechnung von Einheiten erleichtern dir Onlinerechner die Arbeit. Außerdem kannst du diese meist auch zur direkten Berechnung von anderen Werten wie der Masse oder dem Volumen verwenden.

Welche Auswirkungen hat die Legierung auf die Dichte des Stahls?

Durch die Variation der Legierungsbestandteile des Stahls können Eigenschaften wie Härte, Formbarkeit und Anfälligkeit für Risse verändert werden (7, 8). Man unterscheidet zwischen drei Legierungsgruppen:

  • unlegierte Stähle (hauptsächlich aus Eisen und Kohlenstoff)
  • niedriglegierte Stähle (Legierungsanteil < 5%)
  • hochlegierte Stähle (Legierungsanteil > 5%)

Das Hauptlegierungselement von Stahl ist Eisen. Weitere Elemente, die häufig für die Legierung verwendet werden, sind Chrom, Nickel, Molybdän und Vanadium. Chrom und Vanadium haben die Dichtewerte 7,14 g/cm3 bzw. 6,12 g/cm3 und sind damit leichter als Stahl.

Nickel hat eine Dichte von 8,9 g/cm3 und Valadium von 10,22 g/cm3. Diese beiden Stoffe weisen damit eine höhere Dichte auf und können vor allem bei hochlegierten Stählen zu einer höheren Dichte führen. Somit haben die Legierungselemente einen geringfügigen Einfluss auf die Gesamtdichte des Stahls.

Edelstahl hat einen geringen Anteil von Spurenelementen

Stahlbegleiter sind Spurenelemente, die nicht zu den Legierungselementen zählen, aber dennoch in geringen Mengen im Stahl auftreten können. Stoffe wie Schwefel, Sauerstoff oder Stickstoff sollten dabei möglichst vermieden werden, während Elemente wie Mangan, Kupfer und Silizium positive Eigenschaften des Stahls fördern (1). Allerdings haben diese Begleiter keinen Einfluss auf die Gesamtdichte (1).

Haben verschiedenen Arten von Stahl eine unterschiedliche Dichte?

Nach dem Deutschen Institut für Normen werden über 2500 verschiedene Stahlarten definiert, die nach ihren Legierungen, Mikrostrukturen und mechanischen Eigenschaften kategorisiert werden (3). Eine Zusammenfassung aller Stahlarten findest du unter DIN 10027.

Jede Stahlsorte ist mit einer eigenen Werkstoffnummer versehen

Da verschiedene Stahlsorten aus unterschiedlichen Zusammensetzungen und Legierungen bestehen kann ihre Dichte variieren. Ein Beispiel ist der austenitische rostfreie Stahl, der einen hohen Nickelanteil hat und dadurch eine erhöhte Dichte von 7,9 g/cm3 aufweist (9).

Weitere Beispiele sind der Einsatzstahl mit einer Dichte von 7,81 g/cm3 und der Vergütungsstahl mit einer Dichte von 7,85 g/cm3.

Je nachdem welche Art von Stahl du verwendest, kann die Dichte also variieren. Die Veränderung der Dichte ist allerdings wie im vorherigen Abschnitt beschrieben eher geringfügig und hat daher auch nur kleine Auswirkungen auf die Beschaffenheit des Stahls.

Welche Stahldichte eignet sich für welche Anwendungsbereiche?

Stahl wird in vielen verschiedenen Branchen benutzt und kommt häufig sogar in unserem täglichen Leben in Form von zum Beispiel Töpfen, Werkzeugen oder Abflusssieben vor. Vor allem in den Industriezweigen der Mobilität, hier besonders in der Elektromobilität, der Energietechnik, dem Bauwesen, dem Maschinen- und Anlagenbau, aber auch als Verpackungsmaterial von zum Beispiel Blechdosen wird Stahl verwendet.

Je nach Anwendungsbereich werden verschiedene Eigenschaften des Stahls benötigt. So wird im Schiffsbau eigens hergestellter Schiffsbaustahl verwendet, der sich durch eine besondere Zugfestigkeit auszeichnet.

Für den Brückenbau hingegen werden die austenitischen Stählen aufgrund ihrer Korrosionsstabilität verwendet. Bei der Wahl des Stahls für einen bestimmten Verwendungszweck wird also vor allem auf die Eigenschaften des Stahls geachtet.

Stahl ist einer der wichtigsten Werkstoffe der Welt und hat daher sehr viele Anwendungsbereiche. Ob im Maschinen- und Anlagenbau, der Autoindustrie oder im Alltag, überall wird Stahl verwendet. (Bildquelle: Lenny Kuhne/ Unsplash)

Grundsätzlich hat die Dichte eines Stoffes zwar Auswirkungen auf seine Beschaffenheit. Jedoch werden die Eigenschaften von Stahl vor allem durch die Höhe des Kohlenstoffanteils und die Eigenschaften der Legierungselemente bestimmt.

Daher ist die Dichte des Stahls bei der Wahl für bestimmte Anwendungsbereiche nicht so ausschlaggebend wie andere Eigenschaften, zum Beispiel Dehnbarkeit, Porosität, Festigkeit oder Härte.

Dadurch geht es in den verschiedenen Industriezweigen eher um die Frage welches Material überhaupt verwendet werden soll. Wird Stahl als passender Werkstoff ausgewählt, so sollte die Wahl der Stahlsorte anhand ihrer spezifischen Eigenschaften basierend auf der Stoffzusammensetzung gewählt werden, sodass das Material für den jeweiligen Zweck geeignet ist.

Wie verhält sich die Dichte des Stahls im Vergleich zu anderen Stoffen?

In Branchen, in denen der Fokus auf der Leichtbauweise liegt, konkurriert die Beschaffenheit des Stahls mit der Dichte von anderen Materialien. Denn Werkstoffe mit geringerer Dichte sind auch leichter und haben daher positive Auswirkungen auf das Gewicht eines Bauteils oder einer Konstruktion.

Jedoch können diese Stoffe häufig nicht die Festigkeit und Härte wie der Stahl aufweisen. Hier spielen Dichte und Gewicht also eine wichtige Rolle.

Im tabellarischen Vergleich zu anderen Werkstoffen hat Stahl eine vergleichbare Dichte zu anderen Legierungen wie Messing. Aber auch die Schwermetalle Zinn und Zink bewegen sich in einem ähnlichen Wertebereich (10). Die folgende Tabelle bietet einen Überblick verschiedener Stoffe und ihrer Dichte.

Werkstoff kg/m3 g/cm3
Aluminium 2700 2,7
Blei 11300 11,3
Eisen 7800 7,8
Gold 19300 19,3
Kupfer 8960 8,96
Messing 8500 8,5
Nickel 8900 8,9
Stahl 7850 7,85
Wismut 9800 9,8
Wolfram 19200 19,2
Zink 7100 7,1
Zinn 7300 7,3

Osmium ist mit einer Dichte von 22,59 g/cm3 das Metall mit der höchsten Dichte, während das Leichtmetall Lithium mit einem Wert von 0,53 g/cm3 das Metall mit der niedrigsten Dichte darstellt. Angesichts dieser Werte bewegt sich Stahl insgesamt im mittleren Feld der Dichtewerte.

Fazit

Die Dichte von Stahl kann zur Bestimmung wichtiger physikalischer Größen wie dem Volumen und der Masse von Bauteilen genutzt werden. Bei Stahl schwanken die Dichtewerte in einem Bereich von 7,85 bis 7,87 g/cm3. Damit entspricht die Dichte von Stahl in etwa dem Wert seines Hauptbestandteils Eisen, dessen Dichte 7,87 g/cm3 beträgt. Bei einigen besonders schweren Stahlsorten können zudem auch Dichten bis zu 8,1 g/cm3 entstehen.

Einfluss auf die Dichte des Stahls haben die Legierungselemente, die zu geringfügigen Variationen der Dichte führen können. Obwohl die Dichte Auswirkungen auf die Eigenschaften von Materialien hat, sind diese so klein, dass man sich bei der Wahl des Stahls eher auf den Verwendungszweck und die erforderten Eigenschaften, wie Dehnbarkeit oder Porosität konzentrieren sollte.

Diese werden allerdings durch den Kohlenstoffanteil und den Anteil, sowie die Art der Legierungselemente im Stahl bestimmt.

Titelbild: Janno Nivergall/ Pixabay

Einzelnachweise (10)

1. hausjournal.net: Die Dichte von Stahl
Quelle

2. lernhelfer.de: Stahl
Quelle

3. chemie.de: Stahl
Quelle

4. imeter.de: Dichte
Quelle

5. leifiphysik.de: Festlegung der Dichte
Quelle

6. N. A. Fleck & R. A. Smith (1981) Effect of Density on Tensile Strength, Fracture Toughness, and Fatigue Crack Propagation Behaviour of Sintered Steel, Powder Metallurgy, 24:3, 121-125, DOI: 10.1179/pom.1981.24.3.121
Quelle

7. lernhelfer.de: Legierungen
Quelle

8. Kim, SH., Kim, H. & Kim, N. Brittle intermetallic compound makes ultrastrong low-density steel with large ductility. Nature 518, 77–79 (2015). https://doi.org/10.1038/nature14144
Quelle

9. edelstahl-haerten.de: Austenitischer Stahl
Quelle

10. scheideanstalt.de: Metallglossar
Quelle

Warum kannst du mir vertrauen?

Die Dichte von Stahl
hausjournal.net: Die Dichte von Stahl
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Stahl
lernhelfer.de: Stahl
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Stahl
chemie.de: Stahl
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Dichte
imeter.de: Dichte
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Festlegung der Dichte
leifiphysik.de: Festlegung der Dichte
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Wissenschaftliche Studie
N. A. Fleck & R. A. Smith (1981) Effect of Density on Tensile Strength, Fracture Toughness, and Fatigue Crack Propagation Behaviour of Sintered Steel, Powder Metallurgy, 24:3, 121-125, DOI: 10.1179/pom.1981.24.3.121
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Legierungen
lernhelfer.de: Legierungen
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Wissenschaftliche Studie
Kim, SH., Kim, H. & Kim, N. Brittle intermetallic compound makes ultrastrong low-density steel with large ductility. Nature 518, 77–79 (2015). https://doi.org/10.1038/nature14144
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Austenitischer Stahl
edelstahl-haerten.de: Austenitischer Stahl
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Metallglossar
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