Warum ist Eisen so hart?

Die Härte und alle anderen Eigenschaften von Eisen werden durch die herrschenden Kräfte zwischen den einzelnen Atomen bestimmt. Das ist ein generelles Prinzip und trifft auf alle Materialien zu. Die Wechselwirkungen zwischen Eisenatomen sind relativ stark, was Eisen eine hohe Festigkeit verleiht.

Die Härte ist jedoch nicht das Entscheidende beim Werkstoff Eisen. Jede gewöhnliche Kaffeetasse ist härter als Eisen. Eisenwerkstoffe – und dazu gehört z. B. auch Stahl – verdanken ihren Erfolg dem Umstand, dass sie nicht nur hart sind, sondern auch noch verformbar. Deshalb lässt sich ein Eisenblech durch Pressen in die Form eines Autokarosserieblechs bringen. Und deshalb verbiegt sich die Autokarosserie bei einem Unfall anstatt zu zerbrechen. Und deshalb kündigt sich ein Motorschaden durch laute Geräusche an. Ein Motorblock oder eine Karosserie aus Keramik wären zwar hart, würden aber im Schadensfall augenblicklich wie eine Tasse, die auf den Boden fällt, in tausende Teile zersplittern.

Der Erfolg des Eisens beruht also auf seiner Kombination von Härte und Verformbarkeit. Ferner lassen sich die Eigenschaften von Eisen verbessern und für spezielle Anwendungen maßschneidern, indem man dem reinen Eisen weitere Elemente wie Kohlenstoff hinzufügt. Gemäß dem oben genannten Prinzip kommt es dabei nicht nur darauf an, welche Elemente zu einer Legierung gemischt werden, sondern auch wie diese verteilt sind, also welche Atome neben welchen sitzen. Damit beschäftigen wir uns am Max-Planck-Institut für Eisenforschung seit über 100 Jahren. Hierzu messen wir unter anderem die Elementverteilung in Stählen in 3D mit atomarer Auflösung (siehe Bild).