Eigenschaften von Materialien: Tests, Auswahl und Abfall

Eigenschaften von Materialien

A) Sensorische Eigenschaften
Wir beurteilen Materialien oft nach ihrer Wirkung auf unsere Sinne. So sind Bekleidung aus Naturfasern (Baumwolle, Seide, Leinen usw.) in der Regel angenehmer zu tragen als Kleidungsstücke mit hohem Synthesefaseranteil. Weitere wichtige sinnliche Faktoren sind Geruch, Form, Glanz, Textur und Farbe.

Optische Eigenschaften

Es gibt undurchsichtige Materialien, die Licht nicht durchlassen; transparente Materialien, die Licht vollständig durchlassen; und lichtdurchlässige (transluzente) Materialien, durch die Licht eindringen kann, ohne dass man klar hindurchsehen kann.

Thermische Eigenschaften

Thermische Eigenschaften beschreiben das Verhalten eines Materials bei Wärmeeinwirkung, z. B. Wärmeleitfähigkeit, Ausdehnung und Wärmestabilität.

Magnetische Eigenschaften

Magnetische Eigenschaften beziehen sich auf die Fähigkeit eines Metalls, von einem Magneten angezogen zu werden.

Chemische Eigenschaften

Wichtige chemische Eigenschaften sind beispielsweise die Reaktionsfähigkeit eines Materials, insbesondere seine Neigung zu Oxidation und Korrosion.

Mechanische Eigenschaften

Mechanische Eigenschaften beschreiben das Verhalten eines Materials unter Belastung. Wichtige Begriffe sind:

• Elastizität: Fähigkeit eines Materials, nach Entlastung wieder in seine ursprüngliche Form zurückzukehren.
• Plastizität: Fähigkeit eines Materials, nach bleibender Verformung eine neue Form beizubehalten.
• Duktilität: Fähigkeit eines Materials, sich zu Drähten oder dünnen Strängen zu verformen.
• Dehnbarkeit / Streckbarkeit: Fähigkeit eines Materials, sich in Längsrichtung zu verlängern, ohne zu brechen.
• Härte: Widerstand eines Materials gegen Eindringen oder Kratzer (z. B. gemessen mit Brinell- oder Rockwell-Skalen).
• Sprödigkeit / Fragilität: Neigung eines Materials, ohne nennenswerte plastische Verformung in Stücke zu zerbrechen.
• Zähigkeit: Widerstand eines Materials gegen Bruch unter stoßartiger oder plötzlicher Belastung (Resilienz, Schlagzähigkeit).
• Ermüdungsverhalten: Verhalten eines Materials bei wiederholter wechselnder Belastung; Ermüdung kann zu vorzeitigem Bruch führen.
• Verformungsverhalten bei unterschiedlichen Belastungen: Verhalten unter Zug, Druck, Biegung, Scherung usw.
• Bearbeitbarkeit (spanende Bearbeitung): Leichtigkeit, mit der ein Material durch Drehen/Fräsen geschnitten werden kann.
• Gießbarkeit: Fähigkeit eines Materials, beim Gießen Formen vollständig auszufüllen (relevant für Metalle und Kunststoffe).
• Widerstandsfähigkeit gegen Stöße: Widerstand gegenüber plötzlichen Stößen oder Schlägen.

Physikalische Beanspruchungen

Wenn eine Kraft auf ein Objekt wirkt, kann es zu Verformungen kommen. Die Art der Verformung hängt von Betrag, Richtung und Angriffspunkt der Kraft ab.

1) Zug

Eine Kraft, die dazu neigt, ein längliches Objekt zu strecken; sie wirkt senkrecht zur Oberfläche, an der sie angreift.

2) Druck (Kompression)

Eine Kraft, die dazu neigt, ein Objekt zu verkürzen; sie wirkt senkrecht zur Oberfläche und drückt das Objekt zusammen.

3) Biegung (Flexion)

Eine Kraft, die dazu neigt, ein Objekt zu biegen; sie wirkt parallel zur Oberfläche und erzeugt Zug und Druck in unterschiedlichen Bereichen des Querschnitts.

4) Torsion (Drehmoment)

Eine Kraft, die dazu neigt, ein Objekt zu verdrehen. Torsion entsteht durch zwei entgegengesetzt wirkende, parallel verlaufende Kräfte (ein Moment).

5) Scherung (Schnitt)

Eine Kraft, die parallel zur Oberfläche wirkt und dazu neigt, das Material zu durchtrennen oder zu verschieben.

6) Knicken

Ähnlich wie Kompression, tritt Knicken hauptsächlich in schlanken Bauteilen mit großem Längen-Querschnitts-Verhältnis auf und führt zu seitlicher Ausbeulung.

Prüfungen für Materialien

Um die Eignung eines Materials für eine bestimmte Beanspruchung zu prüfen, unterzieht man Proben standardisierten Tests zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften und des Widerstands gegen bestimmte Belastungen.

1) Zugversuch

Eine Probe wird langsam gestreckt, bis sie bricht. Man analysiert dabei die Kraft-Dehnungs-Kurve und bestimmt Kennwerte wie Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung.

2) Ermüdungsprüfung

Eine Probe wird zyklisch mit wechselnden oder wiederholten Belastungen beansprucht. Die Anzahl der Zyklen bis zum Bruch wird gemessen; das Versagen durch wiederholte Belastung heißt Ermüdungsbruch.

3) Härteprüfung

Hierbei wird eine definierte Last mit einem Eindringkörper (z. B. Diamant- oder Stahlkugel) auf die Probe aufgebracht. Mit geeigneten Formeln wird der Härtewert berechnet. Gängige Skalen sind Brinell und Rockwell.

4) Schlagprüfung / Kerbschlagbiegeversuch

Mit einem Pendel wird die Energie bestimmt, die benötigt wird, um eine kerbgeprägte Standardprobe zu brechen. Die gemessene Energie gibt Auskunft über die Schlagzähigkeit des Materials.

Kriterien für die Materialauswahl

Die Auswahl geeigneter Materialien erfordert fundierte Kenntnisse über deren Eigenschaften, die auftretenden Beanspruchungen und das Bauteildesign, damit das Bauteil den Belastungen bestmöglich standhält.

A) Eigenschaften des Materials

Ingenieure und Designer müssen die Eigenschaften verschiedener Materialien kennen und berücksichtigen, welches Material für das jeweilige Produkt am besten geeignet und einsetzbar ist.

B) Art der Beanspruchungen

Bei der Produktentwicklung muss ermittelt werden, welche Art von mechanischer Beanspruchung auf das Bauteil wirken wird. Die Belastungsrichtung und -lage bestimmen, wie ein Bauteil belastet wird.

C) Bauteilgestaltung

Das gleiche Material kann je nach Form des Bauteils unterschiedlich gut oder schlecht auf bestimmte Belastungen reagieren. Eine durchdachte Geometrie kann die Belastbarkeit deutlich verbessern.

Nachhaltige Nutzung von Materialien

Eine nachhaltige Materialauswahl soll zwei Probleme vermeiden: vorzeitige Erschöpfung von Rohstoffen und übermäßige Umweltbelastung.

A) Vorzeitige Erschöpfung von Materialien

Materialien lassen sich grundsätzlich in erneuerbare und nicht erneuerbare Rohstoffe einteilen:

• Erneuerbare Rohstoffe: Materialien, deren rationelle Nutzung nicht zu Erschöpfung führt (z. B. Holz, Papier, Baumwolle, Leinen).
• Nicht erneuerbare Rohstoffe: Materialien, die bei übermäßigem Verbrauch zur Erschöpfung führen können (z. B. Kupfer, Aluminium, Eisen).

B) Maßnahmen und Lösungen

Gängige Strategien zur Schonung von Ressourcen sind:

• Neues Design: Durch effizientes Design kann das Materialvolumen reduziert werden (z. B. Getränkedosen mit dünnerem Material bei gleichbleibender Stabilität).
• Recycling: Produkte am Ende ihrer Lebensdauer trennen und wiederaufbereiten; Beispiele sind Recycling von Fahrzeugteilen oder Metallteilen.
• Wiederverwendung (Re-Use): Produkte oder Komponenten innerhalb der Sicherheitsanforderungen mehrfach verwenden (z. B. Pfandflaschen, bestimmte Autoteile).

Industrielle Abfälle

A) Arten von Abfällen

Man unterscheidet u. a.:

• Inerte Abfälle: Stellen kein Risiko für Umwelt oder Menschen dar und werden von der Natur abgebaut oder bleiben stabil. Beispiele: Bauschutt, Textilien, Kies, Keramik, Steine.
• Giftige und gefährliche Abfälle: Brennbare, ätzende, giftige Abfälle oder solche, die chemisch reagieren können; sie können fest, flüssig oder gasförmig sein und erfordern besondere Behandlung.

B) Behandlung von Abfällen

Maßnahmen zur Handhabung und Reduktion industrieller Abfälle umfassen:

• Reduktion des Primärenergie- und Materialverbrauchs: Neue Technologien und optimierte Prozesse verringern die erzeugten Abfallmengen.
• Physikalische Verfahren: Trennung und mechanische Aufbereitung der Reststoffe.
• Chemische Behandlung: Neutralisation oder Umwandlung toxischer Rückstände.
• Biologische Behandlung: Einsatz von Mikroorganismen zur biochemischen Zersetzung organischer Abfälle (Gärung, Fermentation).
• Verbrennung: Thermische Behandlung in speziellen Öfen zur Volumenreduktion und Energiegewinnung.
• Deponierung: Geordnete Ablagerung von Reststoffen unter Beachtung gesetzlicher Vorgaben und Umweltauflagen.

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