Nach der klassischen Definition ist Stahl eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, die weniger als 2,06 Prozent (Masse) Kohlenstoff enthält. Dieser Definition folgt auch die DIN EN 10020, nach der Stähle ein "Werkstoff, deren Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elements, dessen Kohlenstoffgehalt in dem allgemeinen kleiner als 2 Prozent C ist." Bei höheren Anteilen von Kohlenstoff spricht man von Gusseisen, hier liegt der Kohlenstoff in Form von Graphit oder Zementit vor. Gegenwärtig gibt es aber einige Gruppen von Stählen, in denen Kohlenstoff kein Legierungsbestandteil mehr ist. Ein Beispiel dafür sind IF-Stähle, in deren Eisenmatrix kein Kohlenstoff interstitiell gelöst ist. Gegenwärtig werden unter Stählen eisenbasierte Legierungen verstanden, die plastisch umgeformt werden können.

Stähle sind die am meisten benutzten metallischen Werkstoffe. Durch Legieren mit Kohlenstoff und anderen Elementen in Kombination mit Wärme- und thermomechanischer Behandlung (gleichzeitige thermischer Behandlung mit plastischer Umformung) können die Merkmale von Stahl für einen breiten Anwendungsbereich angepasst werden. Der Stahl kann zu dem Beispiel sehr weich und dafür ausgezeichnet verformbar hergestellt werden, wie etwa das Weißblech der Getränkedosen. Demgegenüber kann er sehr hart und dafür spröde hergestellt werden, wie z. B. martensitische Stähle für Messer. Moderne Entwicklungen Absichten darauf, den Stahl gleichzeitig fest und verformbar herzustellen, als ein Beitrag für den Leichtbau von Maschinen.

Das wichtigste Legierungselement in dem Stahl ist Kohlenstoff. Er liegt entweder atomar oder als Verbindung (Zementit=Fe₃C) vor. Die Bedeutung von Kohlenstoff in dem Stahl ergibt sich aus seinem Einfluss auf die Stahl Merkmale und Phasenumwandlungen. In dem Allgemeinen wird Stahl mit höherem Kohlenstoffanteil fester, aber auch spröder. Durch Legieren mit Kohlenstoff entstehen in Abhängigkeit von der Konzentration und der Umgebungstemperatur unterschiedliche allotrope Phasen, Austenit, Ferrit, Perlit, Ledeburit und Zementit. Durch beschleunigtes Abkühlen von Austenit, im Kohlenstoff gelöst ist, können die weiteren Phasen Sorbit, Troostit , Bainit und Martensit entstehen (siehe auch Härten).

Die Kristallitstruktur von Stahl kann mit dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm beschrieben werden.

Stahl kann entweder aus Eisenerz oder aus Schrott hergestellt werden.

Die Stahlherstellung aus Eisenerz erfolgt gegenwärtig üblicherweise mit einem Hochofen. Das Eisenerz wird zunächst gesintert, um eine geeignete Stückigkeit einzustellen. Der Sinter wird mit Kalk und Koks zu dem Möller vermischt und anschließend in den Hochofen chargiert. Der Hochofen ist ein metallurgischer Reaktor, im in dem Gegenstrom die Möllersäule mit heißer Luft, dem so genannten Wind reagiert. Durch Verbrennen des Kohlenstoffs aus dem Koks entstehen die für die Reaktion nötige Wärme und Kohlenmonoxid, das die Möllersäule durchströmt und das Eisenoxid reduziert. Als Ergebnis entstehen Roheisen und Schlacke, die periodisch abgestochen werden.

Da das Roheisen sehr viel Kohlenstoff enthält, muss es einen weiteren Prozessschritt durchlaufen. Durch Aufblasen von Sauerstoff, dem so genannten Frischen, wird der Kohlenstoff oxidiert und es entsteht flüssiger Stahl. Nach dem Zulegieren der gewünschten Elemente wird er in dem Strang oder in der Kokille zu Halbzeug vergossen. Das Vergießen bedarf besonderer Techniken, man unterscheidet zwischen beruhigt und unberuhigt vergossenen Stählen (unter Beruhigen versteht man das Binden des in der Schmelze gelösten Sauerstoffs durch Zulegieren von Aluminium oder Silizium). Dies hat Einfluss auf in dem erkaltenden Stahl entstehende Seigerungen (Materialentmischungen, z. B. Schwefelablagerungen) oder Lunker (durch das Schwinden des Materials bedingte Hohlräume). Beide sind mit Qualitätsverlusten verbunden.

Die Nachteile des Hochofens sind, dass hohe Ansprüche an die Einsatzmaterialien gestellt werden und der Ausstoß an Kohlendioxid. Der eingesetzte Eisenträger und der Koks müssen stückig und hart sein, so dass genügend Hohlräume in der Möllersäule bestehen bleiben, die das Durchströmen durch den eingeblasenen Wind gewährleisten. Der CO₂-Ausstoß stellt eine hohe Umweltbelastung dar. Darum gibt es Bestrebungen, die Hochofenroute abzulösen. Bisher hat sich aber kein Verfahren gegenüber dem Hochofen etablieren können. Zu bezeichnen sind hier die Eisenschwamm- und Pelletsherstellung in Drehrohröfen sowie die Corex-, Midrex- und Finex-Verfahren.

Das Corex-Verfahren ist gegenwärtig am meisten verbreitet. Dieses Verfahren benutzt zwei Gefäße, eins zu dem Reduzieren des Erzes und das zweite zu dem Vergasen der Kohle und Aufschmelzen des Eisens. Da keine hohe Möllersäule getragen werden muss, kann minderwertige Kohle benutzt werden. In den Konverter wird eine große Menge Sauerstoff eingeblasen (ca. 1 t O₂ je t Eisen) und es wird eine große Menge CO-haltiges Corex-Gas frei, das weiterbenutzt werden muss. Die Rentabilität des Verfahrens hängt von den Kosten für den Sauerstoff und von den Erträgen durch die Verwertung des Corex-Gases ab. Diese Restriktionen bedingen gewöhnlich hohe Investitionen in der Peripherie, die die Integration des Verfahrens in gewachsene Hüttenwerke behindern.

Man kann zwischen so genannten Blasverfahren und Herdfrischverfahren unterscheiden.

In den Blasverfahren wird das Roheisen mit Sauerstoff oder Luft gefrischt. Der Oxidationsprozess, der den Kohlenstoffanteil senkt (das Frischen), liefert in diesen Verfahren genug Wärme, um den Stahl flüssig zu halten, eine externe Wärmezufuhr ist in den Konvertern darum nicht notwendig. Die Blasverfahren kann man zusätzlich in Aufblasverfahren und Bodenblasverfahren unterteilen. Zu den Bodenblasverfahren gehören das Bessemerverfahren, das Thomasverfahren, die Rennfeuer und frühen Hochöfen. Das bekannteste Aufblasverfahren ist das LD-Verfahren.

Bei den Herdfrischverfahren wird der zur Oxidation notwendige Sauerstoff dem zugesetzten Schrott und Erz entnommen. Außerdem muss Herdfrischkonvertern extern Wärme zugeführt werden. Die bekanntesten Herdfrischverfahren sind das Siemens-Martin-Verfahren und der Elektroofenprozess.

• Meteoreisen: Ursprünglich wurde das Eisen von Meteoren verarbeitet.
  
• Rennfeuer: Ungefähr 1500 Jahre vor unserer Zeitrechnung sind die ersten Rennfeuer entstanden. Diese sind Lehmöfen, in die Holzkohle und Eisenerz schichtweise eingebracht wurden. In dem Rennofen entstehen Temperaturen zwischen etwa 1200 und 1300 °C, die das taube Gestein aufschmelzen und als Schlacke ablaufen lassen. Daher stammt auch der Name: Rennen von Rinnen. Das Eisen wird durch die Holzkohle reduziert. Es entsteht eine von Schlacketeilchen durchsetzte Luppe , die durch Schmieden weiterverarbeitet werden kann.
  
• Stück- oder Wolfsofen: Ab etwa dem 12. Jahrhundert wurden die Öfen nicht mehr in die Erde sondern oberirdisch gebaut (Vorläufer der Hochöfen) und zusätzlich durch wassergetriebene Blasebälge mit Luft versorgt. Auch wurde der Stahl mit wassergetriebenen Hammerwerken bearbeitet.
  
• Gussstahl: Das Roheisen wird in dem seit 1842 angewendeten Gussstahlverfahren zusammen mit Schrott geschmolzen. Der Sauerstoffanteil in dem Schrott frischt das Roheisen und verbessert somit die Qualität des Stahls.
  
• Puddel-Verfahren: In dem 1784 von Henry Cord in England erfundenen Puddel-Verfahren wird die schon zäh werdende Roheisenmasse mit Stangen gewendet, so dass möglichst viel der Oberfläche mit der Umgebungsluft in Berührung kommen kann. Durch diesen Sauerstoffkontakt wird das Roheisen gefrischt und so zu Stahl verarbeitet (siehe auch Eiffelturm).
  
• Thomas- und Bessemerverfahren, DSN-Verfahren: Diese sind Konverterverfahren, bei denen durch Bodendüsen des Konverters Gase in die Roheisenschmelze gedrückt werden. Die Thomas- und Bessemerverfahren benutzen Luft, in dem DSN-Verfahren (Dampf-Sauerstoff-Neunkirchen) wird Sauerstoff zusammen mit Wasserdampf statt Luft eingesetzt. Das auch "saures Windfrischverfahren" genannte Bessemerverfahren wurde 1855 von Henry Bessemer entwickelt. Das Thomasverfahren (auch "basisches Windfrischverfahren" genannt und bekannt durch die Konverterform: die Thomasbirne ) wurde 1878 von Percy Gilchrist und Sidney Thomas erfunden. Sie unterscheiden sich durch die Ausmauerung des Ofens, welche entweder sauer oder basisch wirkt und so verschiedenes Merkmalen aufweist (im Thomasverfahren eine Dolomit-Teer-Mischung).
  
• OBM-Verfahren: In dem OBM-Verfahren (Oxygen-Boden-Maxhütte oder Oxygen-Bodenblas-Metallurgie-Verfahren) werden Sauerstoff und Butan oder Propan durch den Boden des Konverters eingeblasen. Mit der Stillegung der Neuen Maxhütte in Sulzbach-Rosenberg in dem Jahr 2003 ist der einzige OBM Konverter stillgelegt worden.

• Linz-Donawitz-Verfahren : In dem so genannten LD-Verfahren (benannt nach den Standorten der österreichischen Unternehmen VOEST und Alpine Montan, jetzt fusioniert zur VOEST-ALPINE STAHL AG, die dieses Verfahren entwickelten) wird durch eine Lanze Sauerstoff auf das Schmelzbad in dem Konverter geblasen, so werden unerwünschte Begleitstoffe oxidiert und können dann als Schlacke abgestochen werden. In den Konverter muss flüssiges Roheisen chargiert werden, da das Verfahren die Einsatzstoffe nicht aufschmelzen kann. Durch Zugabe von Schrott und Erz kann der Roheiseneinsatz verringert und die Schmelze gekühlt werden. Der fertige Stahl wird durch Kippen des Konvertergefäßes in Pfannen abgestochen. - In LD-Varianten kann z. B. gleichzeitig Sauerstoff oder auch anschließend Argon durch Bodendüsen eingeleitet werden (LBE, Lance Bubbling Equilibrium) oder es wird zusammen mit dem Sauerstoff Kalkpulver eingeblasen (LD-AC-Verfahren).
  
• Siemens-Martin-Verfahren: Dieses war von seiner Erfindung 1864 durch Friedrich Siemens und Wilhelm Siemens und seiner Umsetzung zusammen mit durch Emile Martin und Pierre Martin bis in die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts die bevorzugte Stahlherstellungsmethode. Der SM-Ofen besteht aus dem Oberofen, mit dem vom Gewölbe überspanntem Schmelzraum und dem Unterofen. In dem Oberofen wird Roheisen und/oder der Schrott chargiert. In dem Unterofen sind die Regenerationskammern zur Luft- und Gasvorwärmung untergebracht. In dem Oberofen wird mit öl- oder gasbetriebenen Brennern der Schmelzraum beheizt. Die Reduktion des Kohlenstoffs (Frischen) erfolgt durch den Sauerstoffüberschuss der Brennerflamme oder durch Zugabe von Eisenerz. In westlichen Ländern wurde dieses Verfahren durch Sauerstoffblasverfahren verdrängt. 1993 wurde in Brandenburg an der Havel der letzte deutsche SM-Konverter stillgelegt. Er ist heute als technisches Denkmal erhalten.
  
• Elektrostahlverfahren : Durch Schmelzen in dem Lichtbogenofen kann aus Schrott und Pellets Stahl hergestellt werden. Durch den Lichtbogen wird der Ofeninhalt aufgeschmolzen. Den Sauerstoff bezieht dieses Verfahren aus der Umgebungsluft. Zusätzlich kann mit einer Lanze Sauerstoff auf die Schmelze geblasen werden. Dieses Verfahren wird vorwiegend in Ministahlwerken eingesetzt, die keine Flüssigstrecke zu dem Herstellen von flüssigem Roheisen benötigen. Dieses Verfahren wurde 1904 von Paul-Louis Heroult entwickelt.

Der Werkstoff Stahl und die Steigerung seiner Produktion ging über etwa 130 Jahre direkt einher mit der weltwirtschaftlichen Entwicklung bis in die Gegenwart. In manchen Wirtschaftsbereichen (z. B. Schiffbau) stellte die Stahlproduktion die einzige Wachstumsgrenze dar. Die technisch-industrielle Revolution der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts und die enorme Steigerung der Stahlproduktion bedingten sich gegenseitig. Der Pariser Eiffelturm symbolisiert als gewaltige Stahlkonstruktion diesen Zeitabschnitt. Die Stahlproduktion einer Volkswirtschaft wurde lange Zeit sogar als Maß für ihre Leistungsfähigkeit angesehen.

Vor und nachdem Zweiten Weltkrieg spielte der Stahl bei der Produktion von Rüstungsgütern, insbesondere von Panzern, die Hauptrolle. Deutschlands Norwegenfeldzug wurde wegen des schwedischen Eisenerzes unternommen, und die Alliierten wollten das Ruhrgebiet, damals der größte geografische Waffenproduzent Europas, mittels gezielter Dammbrüche überschwemmen.

In der Nachkriegszeit wurde in Europa die Montanunion gegründet, um die Stahlproduktion unter Kontrolle zu halten. Aus dieser Verbindung entstand in mehreren Schritten die Europäische Union.

Obwohl die Erdkruste zu fünf % aus Eisen, das Ausgangsmaterial für Stahl, besteht, wird gegenwärtig der Rohstoffbedarf der Industrie nicht gedeckt. Beginnend in dem 2. Halbjahr 2003 zeigt sich eine dramatisch veränderte Rohstoffsituation, die vor allem durch den stark steigenden Stahlbedarf der Volkswirtschaften in China, Indien und Brasilien verursacht wurde. Seit einigen Jahren wächst allein die Stahlproduktion in China jährlich um mehr als die gegenwärtige Gesamtproduktion Deutschlands. Plötzlich reichten die Erzeugung der Erzminen nicht mehr aus, die Umschlagkapazitäten der Erzhäfen waren erschöpft, und es waren auch nicht mehr genug Schiffe verfügbar das Erz zu transportieren. Ähnliche Entwicklungen ergaben sich für Koks, welcher für die Roheisenherstellung benötigt wird und für Schrott, als Sekundärrohstoff für die Stahlerzeugung.

Die Konsequenzen aus dieser Entwicklung wurde von den großen Stahlherstellern der Industrieländer unterschätzt, so dass der aktuelle Rohstoffbedarf nicht gedeckt werden kann. Infolgedessen haben sich die Preise für Rohstoffe und Stahlprodukte vervielfacht. Gegenwärtig ist Stahl knapp und teuer.

Es ist keine Trendwende in Sicht, die Stahlproduktion und der Rohstoffbedarf werden weiter steigen, obwohl die Wachstumsrate durch staatliche Eingriffe gegenwärtig sinkt. Der Bedarf an Eisenerz wird durch das Erschließen neuer Abbaugebiete gedeckt werden können.

Außer der Stahlindustrie sind auch Beton und Aluminium von diesem Phänomen betroffen. Eine Ursache für den hohen Erdölpreis ist ebenfalls der gestiegene Rohstoffbedarf der Schwellenländer.

Stahl ist aus ökologischer Sicht ein hervorragender Werkstoff, da er nahezu ohne Qualitätsverlust unbegrenzt recycelbar ist, indem der Schrott wieder geschmolzen wird.

Demgegenüber ist der Hochofenprozess ökologisch bedenklich, da er ein bedeutender Emittent von Kohlendioxid ist. Darum wird intensiv an neuen Verfahren der Roheisenerzeugung geforscht.

Stahl steht insbesondere in der Automobilindustrie in direkter Konkurrenz mit Werkstoffen mit kleinerem spezifischem Gewicht, wie Aluminium, Magnesium, Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen. Da diese Werkstoffe aber durchweg weniger fest sind als Stahl, kann der Gewichtsvorteil durch gezieltes Benutzen von hochfesten Stählen und konstruktiven Maßnahmen (etwa dünneres Blech mit Aussparungen aber dafür Sicken) ausgeglichen werden.

Nach DIN EN 10020 wird zwischen den zwei Hauptgüteklassen

• Qualitätsstahl (QS) und
• Edelstahl (SS)

unterschieden. Die Kurznamen der Stähle sind in der DIN EN 10027 festgelegt.

Die Stahlwerkstoffe werden nach den Legierungselementen, den Gefügebestandteilen und den mechanischen Merkmalen in Gruppen eingeteilt.

In Abhängigkeit vom Legierungsgehalt wird unterteilt in:

Unlegierte Stähle werden in Stahlwerkstoffe, die nicht für eine Wärmebehandlung vorgesehen sind, und in Stähle für eine Wärmebehandlung eingeteilt.

(Der Gehalt jedes Legierungselementes beträgt < 5%)

Niedriglegierte Stähle haben grundsätzlich ähnliches Merkmalen wie unlegierte Stähle. Technisch wichtig ist die wesentlich verbesserte Härtbarkeit, aber auch die erhöhte Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit.

(Der Gehalt eines der Legierungselemente beträgt mindestens 5%)

Hochlegierte Stähle sind für Sonder Merkmale erforderlich. Zunderbeständigkeit oder besondere physikalisches Merkmalen lassen sich ca. durch hochlegierte Stähle erzeugen.

Weitere wichtiges Merkmalen für den Anwender sind die Einsatzbereiche und Verwendungsmöglichkeiten der Stähle. Daher ist auch eine Kennzeichnung sinnvoll, aus denen dies entnommen werden kann:

• Allgemeiner Baustahl
• Automatenstahl
• Einsatzstahl
• Vergütungsstahl
• Nitrierstahl
• Tiefziehstahl - Darunter werden diejenigen Stahlsorten zusammengefasst, die zu dem Weiterverarbeiten durch Tiefziehen geeignet sind. Diese Stähle sind in dem Allgemeinen sehr weich und dürfen keine ausgeprägte Streckgrenze aufweisen.
• Werkzeugstahl - Wird zur Herstellung von Werkzeugen und Formen benutzt.
  • Schnellarbeitsstahl
  • Damaszener Stahl - Dieser ist ein Werkstoff für Säbel und ist für seine Flexibilität und Festigkeit bekannt. Damaszener Stahl ist kein Stahl in dem eigentlichen Sinn, sondern ein Verbundwerkstoff aus verschiedenen Stählen, die durch Feuerschweißen verbunden werden.
• Nichtrostender Stahl (Nirosta) - Diese gibt es als ferritische und austenitische Stähle. Ersterer wird durch Legieren von mindestens zehn % Chrom erhalten. In austenitischen nichtrostenden Stählen ist zusätzlich Nickel legiert. Diese Stähle sind bei Raumtemperatur nichtmagnetisch. Umgangssprachlich werden diese Stähle auch rostfreie Stähle genannt.

• Säurebeständiger Stahl

Die Nennung der Stähle ist in DIN EN 10027 definiert.

• Stähle für Stahlbau:

Nennung S + Mindeststreckgrenze

Weitere Zusätze:

• • Garantierte Kerbschlagzähigkeit :

J: 27L, K: 40J, L: 60J

Bei R: 20 °C, 0: 0 °C, 2: -20 °C usw.

• • A: Ausscheidungshärtend
  • M: thermomechanisch behandelt
  • N: Normalisiert (entweder geglüht oder gewalzt)
  • Q: Vergütet (quenched)
  • G: andere Merkmale
  • Weitere Zusätze, die den vorgesehenen Einsatzzweck kennzeichnen, sind möglich.
• Stähle für Druckbehälter

Nennung P + Mindeststreckgrenze

• Stähle für Leitungsrohre

Nennung L + Mindeststreckgrenze

• Maschinenbaustähle

Nennung E + Mindeststreckgrenze

• Kaltgewalzte Flacherzeugnisse aus höherfesten Stählen

Nennung H + Mindeststreckgrenze

• Flacherzeugnisse zu dem Kaltumformen:

Nennung D.

• Weitere:

Nennung B, Y, R, T, M.

Zusätzlich gibt es Stähle, deren Zusammensetzung wichtiger ist als die Mindeststreckgrenze. Für diese wird die Zusammensetzung nach einem definierten Schlüssel angegeben.

• C 10, C15 ... C60 ... C n
• C bedeutet der Anteil des Kohlenstoffes in n/100 in %
• Bei einem Kohlenstoffgehalt < 0,25 Prozent ist der Stahl einsatzhärtbar, darüber vergütbar.

(Achtung: bei Stahl gibt es einen Kohlenstoffgehalt von max. 2 % !)

Bei niedriglegierten Stählen liegt der Anteil an Legierungselementen unter 5 %.

Zum Beispiel steht das Kürzel 15CrNi6 für:

• 15/100 in Prozent C, aber: bei der Ermittlung des Legierungsanteil wird der C-Anteil nicht mitgerechnet!
• Cr und Ni charakterisieren die Legierungselemente
• 6 = 6/Konstante Prozent Cr - in diesem Fall 1,5 Prozent
• Ni hat einen Anteil von unter 1 %

Zur Vorgangsweise: Das Legierungselement mit dem höchsten Anteil an der Legierung steht an erster Stelle, in dem Falle des Beispiels Cr - diesem wird die erste Zahl zugeordnet, dem zweiten Element die zweite Zahl usw. Kann man keine Zahl zuordnen so ist der Anteil automatisch unter 1 %.

Die Konstanten sind in einer Tabelle fixiert - sie entsteht durch die Zuweisung einer Konstanten zu einem bestimmten Legierungselement (z. B.: bei Cr würde die Konstante 4 sein).

Der Anteil von mindestens einem Legierungselement ist größer als 5 %

Erklärung anhand des Beispiels X5CrNiMoV18-8-2

• X - Kennzahl für alle hochlegierten Stähle
• 5/100 in Prozent C
• Cr, Ni, Mo, V charakterisieren die Legierungselemente
• 18 Prozent Cr , 8 Prozent Ni, 2 Prozent Mo, unter 1 Prozent V

Die Vorgangsweise ist gleich wie in Gruppe 3 - der Unterschied besteht darin, dass der Anteil in % nicht erst über eine Konstante umgerechnet werden muss, sondern direkt abgelesen werden kann.=== Weitere Nennungen ===

Jedem Stahl ist zusätzlich eine Werkstoffnummer zugeordnet, die ihn eindeutig charakterisiert.

Algemein ist zu sagen, dass die Nennung der Stähle gegenwärtig zwar eindeutig definiert ist, diese sich aber in den letzten Jahren mehrfach geändert hat. Zusätzlich gibt es Markennamen und historisch gewachsene Nennungen (z.B.: St52, V2A, Invar, Nirosta, ...) für bestimmte Stähle, so dass die Benennung der Stähle in dem Allgemeinen etwas verwirrend erscheint.

• http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/umat/eisen/eisen.html
• http://stahl.profzone.ch/
• http://www.isd.uni-stuttgart.de/~tardy/schmieden/schmieden.html - Damaszenerstahl
• http://www.lpm.uni-sb.de/chemie/begleitmaterial/Metallkunde.pdf - Umfangreiches Dokument zur Metallkunde, besonders Eisengewinnung und Stahlherstellung. In dem Adobe PDF Format.
• http://www.stahl-online.de mit vielen guten Informationen