Werkstoffkunde Metall/ Einführung

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Werkstoffkunde und Materialwissenschaften

Die Werkstoffkunde, oder etwas allgemeiner die Materialwissenschaft, ist ein Teilgebiet der Ingenieurwissenschaften und setzt Theorien aus Chemie, Physik und vielen anderen Bereichen in praktisches Wissen für die handwerkliche und industrielle Produktion um.

Das Fachgebiet, um das es in diesem Buch geht: Die Metalle, stellen nur einen Teil der Materialwissenschaften dar – ein Teil, der für den Maschinenbau von größter Bedeutung ist. Aber auch Glas u. Keramik, Kunststoffe, Holz und Steingut spielen in der Werkstofftechnik eine Rolle. So wie die Werkstoffwissenschaften für Elektrotechnik, Bauwesen und Holztechnik sehr wichtig sind.

In der Konstruktion 
Konstrukteure müssen die Werkstoffe kennen, die sie für ihre Produkte einplanen. Sie müssen die Eigenschaften und das Verhalten der Werkstoffe richtig einschätzen, damit das Produkt allen Anforderungen nach Funktionalität, Haltbarkeit und Sicherheit gerecht wird. Mit der Werkstoffwahl wird eine der wichtigsten Weichen für die spätere Produktentwicklung gestellt.
In der Fertigung 
Die Be- und Verarbeitung eines Werkstoffs zu einem Produkt setzt selbstverständlich genaue Kenntnisse über den Werkstoff voraus. Zum Beispiel kann nicht jeder Werkstoff unter den gleichen Bedingungen geschweißt oder umgeformt werden. Die Fertigungsverfahren müssen dem Werkstoff angepasst werden, um wirtschaftlich zu sein. Sie sind aber nicht nur von den Werkstoffeigenschaften abhängig, umgekehrt haben die Verfahren wiederum großen Einfluss auf die Eigenschaften selbst.
Werkstoffprüfung 
Werkstoffprüfung und Qualitätssicherung gehen Hand-in-Hand. Nach - oder besser schon während der Fertigung MÜSSEN die Werkstoff- und Produkteigenschaften überprüft werden. So kann rechtzeitig in die Fertigung eingegriffen, bzw. die Auslieferung mangelhafter Produkte verhindert werden. Das Ziel ist eine wirtschaftliche UND qualitativ hochwertige Produktion, so dass insbesondere Schäden am oder durch das Produkt verhindert werden.
In der Forschung 
Ziel der Forschung ist die Verbesserung der Werkstoffe, sowohl in den Eigenschaften als auch wirtschaftlich. Auch die Entwicklung und Erprobung neuer Werkstoffe und Verfahren ist Aufgabe der Materialwissenschaften, und wer weiß welche Werkstoffe die Zukunft noch für uns bereithält ...

Was sind Werkstoffe ?

Die Natur stellt uns alle möglichen Stoffe als Naturstoffe zur Verfügung. Indem wir sie abbauen, wandeln wir sie in Rohstoffe um – und diese werden schließlich zu den Werkstoffen veredelt, die in der Produktion zum Einsatz kommen.

Werkstoffe sind also die Materialien, die wir Menschen in der Produktion bearbeiten.

Letztlich werden aus ihnen alle Fertigprodukte hergestellt. Sie sind von den Hilfs- und Betriebstoffen zu unterscheiden, die zwar zur Durchführung des Produktionsprozesses nötig sind (z.B. Kraftstoffe oder Schmiermittel), in das Endprodukt aber nicht eingehen.

Werkstoffeinteilung (Diagramm).png

Wikibook.svg - Metallurgie der Weg vom Roherz zum Gebrauchswerkstoff

Werkstoffeigenschaften

Die Wahl der Werkstoffe, ihre Qualität und ihre richtige Verarbeitung haben größte Bedeutung für die Eigenschaften des Produkts.

  • Bestimmte geforderte Eigenschaften können nur von bestimmten Werkstoffen erfüllt werden.
  • Die Kosten für verschiedene Werkstoffe weichen stark von einander ab.
  • Hochwertige Werkstoffe steigern den Wert und den Preis eines Produkts.
  • Ein Werkstoff ist nur so gut wie seine Verarbeitung.

Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen den Werkstoffeigenschaften, der Struktur und der gewählten Verarbeitungstechnologie, die letztendlich zu den Eigenschaften und dem Gebrauchswert der Bauteile und des Produkts führen.

Technologisch
Mechanisch
Physikalisch
Chemisch
  • Schmelztemperatur
  • Gießbarkeit
  • Umformvermögen
  • Schweißeignung
  • Zug-/ Druckfestigkeit
  • Dauerfestigkiet
  • Steifigkeit
  • Elastizität
  • Verschleißverhalten
  • elektrische Leitfähigkeit
  • Wärmeleitfähigkeit
  • Dichte
  • Magnetismus
  • Korrosionsbeständigkeit
  • Wechselwirkung mit anderen Stoffen

Technologie und Verfahren

Fertigungs- und Werkstofftechnik gehen Hand-in-Hand

Werkstoff-Dreieck.png

Struktur

Die Beschreibung der Struktur, also des Aufbau eines Werkstoffs, kann auf fünf Ebenen der Materie erfolgen.

Mit der Metallurgie beginnt der „Lebenszyklus“ eines Werkstoffs. Bei der Verhüttung und den nachfolgenden Prozessschritten wird die Zusammensetzung des Werkstoffs und seine Reinheit festgelegt. Durch Legierungsbestandteile werden die Werkstoffeigenschaften wesentlich verändert.

Durch das Urformen erhält der Werkstoff erstmals eine feste Form. Die Fertigungstechnik kennt hier Gießen, Sintern und
Laminieren (von Verbundwerkstoffen)

Spanlose Umformverfahren ändern die Stoffmenge nicht, wohl aber seine Struktur. Walzen, Schmieden, Tiefziehen, Biegen

Spanende und andere Trennverfahren vermindern die Stoffmenge. Auch hier wird die innere Struktur mehr oder weniger stark beeinflusst.

thermische und thermochemische Verfahren wie Glühverfahren, Härten und Anlassen nehmen auf Härte und Festigkeit weitreichenden Einfluss.

Beschichtungsverfahren zielen in erster Linie auf eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit ab.

Besonders stoffschlüssige Fügeverfahren wie Schweißen und Kleben greifen tief in die Struktur des Werkstoffs ein.

Die Werkstoffprüfung hat die Aufgabe, die Eigenschaften und die Struktur des Werkstoffs zu prüfen. Dadurch wird auch die richtig Anwendung der Verfahren sichergestellt.

  1. Die subatomare Ebene
    insbesondere die Elektronen auf der äußersten Schale,
    sie sind für das chemische Verhalten des Atoms und elementare physikalischen Eigenschaften verantwortlich.
  2. Kristall- oder (Makro-)Molekular-Struktur
    Ob kristalliner oder amorpher Aufbau
    diese Ebene legt den Grundstein für Festigkeit, Elastizität und Plastizität. Störungen im Aufbau und deren gezielter Einbau können die Materialeigenschaften grundlegend verändern.
  3. Kornstruktur - Metalle und viele Keramiken
    weisen eine Kornstruktur auf.

    das sind begrenzte kristalline Bereiche (sog. Kristallite) mit gleichen Gitteraufbau und gleicher Gitterausrichtung. An den Korngrenzen liegt eine regellose Anordnung der Atome vor. Größe und Form der Kristallite sind wichtige Einflussfaktoren für die Materialeigenschaften.
  4. Mehrphasenstruktur - Als Phase wird
    ein homogener Materialbereich bezeichnet.

    Chemische Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften sind in einer Phase an jeder Stelle identisch. Verschiedene Phase in einem Werkstoff können sich gegenseitig „einbetonieren“ und die Festigkeit steigern, die Verformbarkeit wird aber meist negativ beeinflusst.
  5. Konstruktive Gestallt des Werkstücks
    Die reale Formgebung eines Bauteils und seine Montage.
    Äußere Belastungen rufen innere Beanspruchungen des Werkstoffes hervor. Diese kann man sich als Kraftlinien vorstellen. Wenn sie plötzlich umgelenkt werden, z.B. durch Querschnittsänderung im Bauteil, kommt es zu Spannungsspitzen, und die zulässigen Spannungen können örtlich überschritten werden. Dem Bauteil droht vorzeitiges Versagen.

Was sind Metalle?

Metalle stellen mit etwa 80% die größte Gruppe der Elementen dar. Bis auf Quecksilber befinden sich alle Metalle bei Raumtemperatur im festen Aggregatzustand. Sie besitzen einige gemeinsame Eigenschaften, z.B. elektrische Leitfähigkeit und den typisch metallischen Glanz, eben typische metallische Eigenschaften

Typische physikalische Eigenschaften

Bändermodell.PNG

Die meisten physikalischen Eigenschaften der Metalle sind auf ihre Elektronen zurückzuführen.
Zur Erklärung ihres Verhaltens gibt es verschiedene Ansätze, nach verschiedenen Atommodellen.

Das Schalenmodell

  • In der äußersten Schale befinden sich nur wenige Elektronen, sie ist höchstens zur Hälfte ausgefüllt.
  • Diese Elektronen lassen sich relativ leicht vom Rest des Atoms trennen: Die Ionisierungsenergie des Atoms ist sehr gering.
  • Die Elektronen der äußersten Schale, die sog. Valenzelektronen, lösen sich dabei von ihren Atomen.
  • Sie können sich frei im Atomgitter bewegen und sind keinem Atom mehr zuzuordnen; sie bilden das sogenannte Elektronengas.

Das Bändermodell

Nach dem Bändermodell sind den Elektronen energetische Bänder zuordnen. Damit es auf ein höheres Energieniveau gelangt, muss einem Elektron Energie zugeführt werde, die umso höher ist, je weiter die Bänder auseinander liegen.

  • Das Valenzband ist das höchste Band, das bei 0 K noch voll besetzt ist. Bei energetischer Anregung (thermisch, photonisch oder elektrisch) springen mehr und mehr Elektronen in das Leitungsband.
  • Wenn Atome sich verbinden, überlagern sich ihre Leitungsbänder. Ein Elektron im Leitungsband kann ohne weiteres von einem Atom zum nächsten springen. Es ist delokalisiert – und kann damit keinem einzelnen Atom zugeordnet werden.
  • Nicht-Leiter und Halb-Leiter weisen eine Bandlücke auf – einen großen Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband, den ein Elektron nur bei entsprechend hoher Anregung überspringen kann.
  • Bei Metallen gehen Valenz- und Leitungsband unmittelbar ineinander über, sodass geringste Energiemengen für den Übergang nötig sind.
Bändermodell-Potentialtöpfe.png



Das hat zur Folge, dass sich Metallatome untereinander nicht wie Nichtmetallatome untereinander zu Molekülen binden können, sondern sich in einem regelmäßigen Gitter anordnen.

Daraus resultieren wiederum die wichtigsten physikalischen Eigenschaften der Metalle:

Gute elektrische Leitfähigkeit 
Die beweglichen Elektronen im Atomgitter stellen freie Ladungsträger dar. Wenn sie sich in eine bestimme Richtung bewegen, fließt Strom. Diese „Wanderung“ beginnt, wenn an einem Ende des Leiters mehr Elektronen vorhanden sind, als am anderen. Wenn also Spannung anliegt. Man spricht von unterschiedlich elektrischen Potenzialen. An der Stelle mit Elektronenüberschuss werden Elektronen angestoßen und in Richtung Elektronenmangel gedrängt. Die Ausbreitung dieser „Druckwelle“ erfolgt nahezu mit Lichtgeschwindigkeit, die „Wanderung“ der einzelnen Elektronen dagegen nur mit einem Bruchteil davon.
Gute Wärmeleitfähigkeit 
In nichtleitenden Festkörpern tragen „nur“ Atome und Moleküle zur Wärmeübertragung bei, in Metallen sind auch die freibeweglichen Elektronen an der Wärmeübertragung beteiligt. Gute elektrische Leiter können auch Wärme besser übertragen. So ist Silber nicht nur der beste elektrische Leiter, sondern auch der beste Wärmeleiter unter den Metallen.
Der metallische Glanz 
Auch für diese Eigenschaft sind die frei beweglichen Elektronen verantwortlich. Wenn Photonen, also Licht, auf die Oberfläche des Metalls treffen, werden sie absorbiert. Dabei werden die Elektronen kurz zu einem energetisch höherem Niveau angeregt. Wenn sie auf ihr ursprüngliches Niveau zurückfallen, wird ein Photon abgestrahlt – also Licht reflektiert. Nichtmetalle können (wenn überhaupt) nur bestimmte Wellenlängen reflektieren, da bei ihnen die Beweglichkeit der Elektronen relativ eingeschränkt ist - der Rest wird absorbiert. Durch die freie Beweglichkeit der Elektronen in Metallen wird das gesamte Spektrum relativ unverfälscht wiedergegeben. Raue Metalloberflächen erscheinen gräulich, glatte Oberflächen können spiegeln. Dieses Reflexionsvermögen gilt nicht nur für das sichtbare Licht, z.B. werden auch Radarstrahlen sehr gut reflektiert. Kupfer (rötlich) und Gold (gelblich) sind die einzigen Metalle, die eine Farbe haben.
Undurchsichtigkeit 
Das hohe Reflexionsvermögen ist gleichzeitig auch der Grund dafür, dass Metalle nicht durchsichtig sind. Lediglich Blattgold wird bei einer Dicke von einem zehntausendstel(!) Millimeter durchsichtig und lässt Licht grünlich-blau durchschimmern. Blei ist wegen seiner hohen Dichte und seiner massiven Atomkerne in der Lage, Röntgen- und radioaktive Strahlung zu absorbieren.
Verformbarkeit (Duktilität) 
Die meisten Metalle sind mehr oder weniger gut plastisch (bleibend) verformbar, bevor sie brechen. Denn ein Atomgitter besitzt sogennante Gleitebenen. Hier können die Atomlagen bei mechanischer Spannungen gleiten, ohne auseinander zu reißen. Es gibt aber auch Metalle, z.B. Gusseisen, die Spröde sind und sofort brechen, sobald der elastische Bereich überschritten wird. Der Aufbau des Gefüges, mit seinen Gitterfehlern und -verzerrungen, hat größten Einfluss auf die Festigkeitseigenschaften des Materials.

Typische chemische Eigenschaften

Weil Metallatome so leicht ihre Valenzelektronen abgeben können, werden sie in Verbindung mit Nichtmetallen zu Kationen. Der nun positiv geladene „Atomrest“ hat seine Valenzelektronen an das nun negativ geladene Nichtmetall-Anion abgegeben. Es bilden sich Verbindungen mit Ionen-Bindung, das heißt die Atome bzw. Ionen werden durch ihre elektrostatische Ladung zusammengehalten.

Aus diesem Grund sind Metalle Basenbildner.

Im Bereich der Übergangsmetalle sind alle Zwischenstufen zwischen Atom- und Ionen-Bindung möglich

Einteilung der Metalle

  • Traditionell wird zwischen Schwer- und Leichtmetallen unterschieden:
    • Leichtmetalle besitzen eine Dichte von weniger als 4,5 g/cm³. Es gibt 15 Elemente, die als Leichtmetalle gelten. Titan ist das schwerste von ihnen. Aluminium, Magnesium und Titan sind als Konstruktionswerkstoffe interessant, wenn es um Gewichtseinsparung geht.
    • Schwermetalle weisen eine Dichte von 4,5 g/cm³ oder mehr auf. 64 Elemente sind Schwermetalle.
  • Chemisch wird zwischen unedlen und Edelmetallen unterschieden:
    • Edelmetalle reagieren nicht mit Wasser oder einer wässrigen Säure unter Wasserstoffbildung. In der elektrochemischen Spannungsreihe liegen sie im positiven Bereich über Wasserstoff. Deshalb kommen Metalle wie Gold, Silber und Platin in der Natur oft gediegen, also chemisch ungebunden vor.
    • Unedle Metalle reagieren mehr oder weniger stark mit Sauerstoff. Einige Metalle bilden eine dichte, fest haftende Oxidschicht (z.B. Chrom, Aluminium), die eine weitere Oxidation verhindert (Passivierung).
      Andere Metalle, wie Eisen, können durch Korrosion vollständig zerfressen werden.