Grundlagen und Eigenschaften der wichtigsten Werkstoffklassen

Metallische Werkstoffe

Metallische Werkstoffe sind anorganische Stoffe, die ein oder mehrere Elemente enthalten können. Sie können auch einige nicht-metallische Elemente enthalten.

Typische Metalle sind: Eisen, Kupfer, Aluminium, Nickel, Magnesium und Titan.

Nicht-metallische Elemente sind: Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff.

Eigenschaften metallischer Werkstoffe

• Sie besitzen eine kristalline Struktur.
• Gute thermische und elektrische Leitfähigkeit.
• Viele weisen hohe mechanische Festigkeit auf und sind bei Raumtemperatur duktil.
• Sie können auch eine hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen zeigen.

Metall-Legierungen

Eine Metall-Legierung ist eine Kombination aus zwei oder mehr Metallen. Legierungen werden in der Regel in zwei Hauptklassen unterteilt:

• Ferrolegierungen: Enthalten einen hohen Anteil an Eisen.
• NE-Legierungen (Nichteisen-Legierungen): Enthalten kein Eisen oder nur relativ kleine Mengen davon.

Polymermaterialien

Polymermaterialien bestehen aus sehr großen Molekülen mit Molekulargewichten im Bereich von einigen Tausend bis zu Millionen von Gramm pro Mol. Die meisten organischen Polymere basieren auf Kohlenstoff und Wasserstoff und enthalten oft andere nichtmetallische Atome, insbesondere Sauerstoff und Stickstoff.

Klassifizierung von Polymeren

Polymere lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen:

1. Thermoplastische Polymere (Thermoplaste):

   Bestehen aus langen Ketten, die nicht kovalent miteinander verbunden sind. Sie sind in der Regel flexibler und weniger spröde.

2. Duroplaste (Thermosets):

   Die Molekülketten sind stark vernetzt (dreidimensionales Netzwerk). Diese sind starr, stark verbunden und im Vergleich zu Thermoplasten oft spröder (fragiler).

Polymerisation und Anwendungen

Die Polymerisation tritt auf, wenn kleine Moleküle (Monomere) zu größeren Molekülen (Polymeren) reagieren. Die resultierende Struktur kann langkettig (Thermoplast) oder vernetzt (Duroplast) sein.

• Beispiel Thermoplast: Polyethylen, das zur Herstellung von Kunststoffsäcken verwendet wird.
• Beispiel Duroplast: Vulkanisierter Gummi.

Keramische Werkstoffe

Keramische Werkstoffe sind anorganische, nichtmetallische Materialien, die aus metallischen und nichtmetallischen Elementen bestehen. Sie können chemisch gebunden, kristallin, amorph oder eine Mischung daraus sein.

Charakteristische Eigenschaften

• Hohe Härte und Temperaturbeständigkeit.
• Geringes Gewicht und gute Isoliereigenschaften.
• Geringe Zähigkeit und mechanische Sprödigkeit (Fragilität).
• Hohe Schmelztemperatur und hohe chemische Beständigkeit.

Verbundwerkstoffe (Composite-Materialien)

Verbundwerkstoffe im Maschinenbau werden in der Regel als Materialsysteme definiert, die aus einer Mischung oder Kombination von zwei oder mehr Mikro- oder Makro-Komponenten bestehen. Diese Komponenten unterscheiden sich in Form und chemischer Zusammensetzung und sind im Wesentlichen unlöslich ineinander.

Wichtige Verbundwerkstoffe

• Faserverstärkter Kunststoff (FVK)
• Beton
• Asphalt
• Holz