Materialeigenschaften: Chemische, Physikalische und Mechanische Aspekte

Materialien und ihre Eigenschaften

Die Materialeigenschaften hängen von der internen Struktur ab und bestimmen das Verhalten während des Herstellungsprozesses. Diese Eigenschaften sind nützlich, um Materialien für bestimmte Anwendungen auszuwählen. Wenn Sie die Eigenschaften eines Materials ändern möchten, müssen Sie auch die interne Struktur anpassen. Im Fall von Metallen können diese durch Wärmebehandlungen verändert werden. Bei der Wahl eines Materials müssen seine Eigenschaften in Rechnung gestellt werden: chemische, physikalische, mechanische, wirtschaftliche und ästhetische. Durch detaillierte Studien über die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Atomen, Molekülen und Verbindungen sowie mit Werkzeugen des Computer Aided Design (CAD) können Wissenschaftler Materialien mit erstaunlichen Eigenschaften entwerfen.

1.1 Chemische Eigenschaften
Die Wechselwirkung zwischen dem Material und der Umwelt führt zu einem Verlust oder einer Beschädigung der Eigenschaften. Die Auswirkungen variieren je nach Material: Metall, Keramik oder Polymer.

a) Oxidation (Atome wechseln von ihrem elementaren Zustand zu Kationen).
Das Material reagiert mit Sauerstoff. Die Oxidation von Silber (Ag), Gold (Au) oder Platin (Pt) erfolgt nicht, da sie nicht rosten, aber sie sind teuer in der Herstellung. Diese Metalle schützen sich selbst. Durch Legierungen mit Chrom (Cr) oder Nickel (Ni) kann Edelstahl hergestellt werden. Schutzschichten wie Galvanisierung oder Feuerverzinkung werden verwendet.

b) Korrosion (Oxidation in feuchter Atmosphäre führt dazu, dass sich die Oxidschicht löst und abblättert).
Es handelt sich um eine langsame Verschlechterung des Materials durch externe Einflüsse (O2) in Gegenwart von Wasser. Rostflecken erscheinen an verschiedenen Stellen des Materials.

1.2 Physikalische Eigenschaften
Diese ergeben sich aus der Anordnung der Atome im Raum der Materialien.
a) Dichte. Die Dichte ist kleiner als 1 kg/m³ für spezifische Materialien. Ein Material schwimmt im Wasser, wenn das Verhältnis zwischen dem Gewicht des Materials und dem Volumen, das es einnimmt, kleiner als 1 ist.
b) Elektrische Eigenschaften (Der elektrische Widerstand eines Leiters hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Anzahl der mobilen Elektronen und der Mobilität der Atome).
Isolatoren
Leiter
Halbleiter
Supraleiter haben keinen Widerstand, und der Strom fließt ohne Widerstand durch sie. Diese haben viele medizinische Anwendungen. Der Übergang zu normalem Verhalten tritt bei der Curie-Temperatur (Tc) auf, die mit den magnetischen Eigenschaften des Materials zusammenhängt.

c) Thermische Eigenschaften
Diese betreffen die Absorption, Wärmeübertragung und Ausdehnung des Materials.
· Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient: Das Material dehnt sich bei Temperaturerhöhung aus (sofern keine Phasenänderungen auftreten) aufgrund der erhöhten Schwingungen der Atome und der besseren Trennung zwischen ihnen. AL = Lo (1 + AAT) ist der lineare Ausdehnungskoeffizient.
· Spezifische Wärme: Die absorbierte Energie, die erforderlich ist, um die Temperatur eines Materials um 1 ºC zu erhöhen, ohne dass Phasenänderungen auftreten.

Fusion: Masse: Bei festen Stoffen tritt eine größere Schwingungsbewegung der Teilchen auf. Wenn die Temperatur weiter steigt, erhöht sich das Maß der Vibrationen, was zur Schmelze des Materials führt. Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der die Fusion einsetzt. Die Fusion wird durch die Kräfte bestimmt, die die Teilchen zusammenhalten.

· Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitung erfolgt durch den Körper von den Punkten niedrigerer Temperatur und geschieht durch Kollisionen von Atomen und Teilchen.
c) Magnetische Eigenschaften
Die magnetischen Eigenschaften eines Materials beschreiben die Wechselwirkungen seiner atomaren Struktur mit dem Magnetfeld. Magnetisierung tritt auf, wenn permanente oder induzierte Dipole mit dem Magnetfeld ausgerichtet sind.
· Diamagnetismus: Das Magnetfeld induziert eine schwache Gegenreaktion.
· Paramagnetismus: Das Magnetfeld im Inneren ist etwas höher als die Ausrichtung an dem angelegten Magnetfeld.
· Ferromagnetismus: Hier sind die magnetischen Domänen ausgerichtet.

d) Optische Eigenschaften (Wechselwirkung von Material und sichtbarem Licht): Licht, das auf die Oberfläche eines Körpers trifft, wird teilweise reflektiert, teilweise absorbiert und teilweise durchgelassen. Die Farbe des Körpers hängt von dem Licht ab, das reflektiert wird. Materialien können opak, transparent oder transluzent sein. Der Brechungsindex bestimmt die optischen Eigenschaften eines Materials: n = c / v.

2. Mechanische Eigenschaften
Diese beschreiben, wie ein Material angreifende Kräfte trägt, einschließlich Zug-, Druck-, Stoß-, zyklischer oder Ermüdungskräfte. Bei vielen Materialien, die extremen Bedingungen ausgesetzt sind, ist es wichtig, die Materialeigenschaften zu kennen, um sicherzustellen, dass die Belastungen, denen sie ausgesetzt sind, nicht übermäßig hoch sind und das Material nicht bricht. Das mechanische Verhalten eines Materials spiegelt das Verhältnis zwischen seiner Reaktion oder Verformung auf eine angewandte Kraft wider.

a) Elastisch-plastisch. Die Fähigkeit eines Materials, seine Form zu behalten, wenn die Kraft entfernt wird, ist entscheidend. Bei elastischen Materialien kehrt die Form nach der Deformation zurück, während plastische Materialien ihre Form behalten.
Die Elastizität und Plastizität eines Materials werden durch Zug- und Drucktests bestimmt. Bei vielen Materialien, einschließlich Metallen und Mineralien, ist der Druck direkt proportional zur Anstrengung.

b) Plastizität. Die Fähigkeit eines Materials, seine neue Form nach der Verformung zu behalten, ist wichtig, insbesondere bei der Verarbeitung von Metallen, wie z.B. beim Walzen von Stahl oder beim Kaltumformen von Blechen für Automobile.

c) Duktilität (Fähigkeit eines Materials, sich zu dehnen).
d) Verformbarkeit (Fähigkeit eines Materials, sich zu Folien zu verformen, ohne zu brechen).
e) Härte (Widerstand eines Körpers gegen Kratzer oder andere Eindringungen).
f) Festigkeit (Widerstand eines Körpers gegen Bruch, wenn er Belastungen ausgesetzt wird).
g) Sprödigkeit (Das Material bricht, wenn es einer plötzlichen Belastung ausgesetzt wird).
h) Ermüdung (Verformung eines Materials unter wechselnden Belastungen, die unterhalb der Bruchgrenze liegen).
i) Sonstiges (z.B. Schärfe, Gießbarkeit).
3. Test- und Messverfahren für Eigenschaften
Testtypen: Zerstörungsfreie oder zerstörende Prüfungen (Röntgen-, Gamma-Strahlen, Ultraschall, Magnetpulver-, Eindringprüfung, Wirbelstrom-, magnetische-, Schallprüfung).
· Chemische Tests (chemische Zusammensetzung und Verhalten durch chemische Arbeitsstoffe).
· Metallographische Tests (Studie der internen Struktur nach thermischen und mechanischen Behandlungen: Homogenität, Risse, Kornstruktur, Oberflächenbehandlung).
· Physikalische Tests: Dichte, Schmelzpunkt, thermische und elektrische Leitfähigkeit, mechanische Eigenschaften.
3.2 Härteprüfungen
3.2.1 Härteprüfung durch Kratzen.
a) Test zur Messung der Martens-Härte durch die Breite der Kratzspur eines pyramidenförmigen Diamant-Tipps.
b) Testen Sie die Datei (Baustahl).
3.2.2 Penetration Testing
Quantitative Methoden basieren auf der Messung der Tiefe oder Größe der Eindringung unter kontrollierten Bedingungen.
a) Test Brinell mit gehärteter Stahlkugel.
b) Test Vickers mit regulärer Pyramide.
c) Tests von Rockwell.
3.3 Dynamische Tests
Ziel: Bestimmen Sie die Energie, die von der Probe absorbiert wird, um einen Bruch bei einem Schlaganfall zu verursachen. Charpy-Pendel.
3.4 Ermüdungstests
Teile, die variablen Belastungen (Rotation, Biegung oder Vibration) ausgesetzt sind, dürfen unterhalb der Bruchgrenze wiederholt belastet werden.
3.5 Kriechtests
Kriechen: Verformung eines Materials unter konstanter Belastung oder Stress (z.B. Turbinenschaufeln).