Materialkunde: Eigenschaften, Klassifizierung und Anwendungen

Materialien: Eigenschaften und Klassifizierung

Ein Material ist jeder Stoff, der für den Bau eines Objekts verwendet wird. Rohstoffe sind Mittel aus der Natur, die in späteren Produktionsprozessen verwendet werden. Die Entwicklung von Materialien ist eng mit dem technischen Fortschritt verbunden.

Materialeigenschaften: Eine Übersicht

Materialeigenschaften können wie folgt eingestuft werden: elektromagnetische, thermische, chemische und optische Eigenschaften. Die mechanischen Eigenschaften sind dabei besonders wichtig. Zu den wichtigsten gehören:

• Härte: Der Widerstand eines Materials gegen Eindringen oder Verkratzen durch einen anderen Körper.
• Festigkeit: Die Fähigkeit eines Materials, sich unter Krafteinwirkung nicht zu verformen oder zu brechen.
• Plastizität: Die Fähigkeit eines Materials, sich unter Krafteinwirkung dauerhaft zu verformen und die neue Form beizubehalten.
• Elastizität: Die Fähigkeit eines Materials, nach Einwirkung einer Kraft in seine ursprüngliche Form zurückzukehren.
• Duktilität: Die Fähigkeit eines Materials, sich bei Kaltverformung stark zu dehnen, ohne zu brechen.
• Verformbarkeit: Die Fähigkeit eines Materials, sich plastisch zu verformen, ohne zu brechen.

Klassifizierung von Materialien

Materialien werden nach ihrem Ursprung klassifiziert:

• Mineralischen Ursprungs: Metalle und Legierungen, Keramiken, Gläser.
• Biologischen Ursprungs: Pflanzlich (z.B. Holz, Baumwolle), tierisch (z.B. Leder, Wolle).
• Synthetischen Ursprungs: Polymere (Kunststoffe), Nanomaterialien, Halbleiter, Silikone, intelligente Hybride.

Metalle und Legierungen

Besteht ein Material aus einem einzigen chemischen Element, handelt es sich um ein reines metallisches Material. Sind mehrere Elemente chemisch miteinander verbunden, spricht man von einer Legierung.

Reinmetalle: Gewinnung und Eigenschaften

Um Reinmetalle aus den enthaltenden Mineralien zu isolieren, sind komplexe Umwandlungsprozesse erforderlich, die einen hohen Stromverbrauch und hohe wirtschaftliche Kosten verursachen. Ihre Eigenschaften umfassen:

• Sie besitzen eine hohe Härte.
• Sie können durch Schmelzprozesse verarbeitet werden.
• Sie sind gute Wärme- und Stromleiter.
• Ihre Festigkeit ermöglicht ihren Einsatz in Architektur und bei hochbelastbaren strukturellen Anwendungen.
• Sie lassen sich leicht recyceln.

Das Hauptproblem bei der Verwendung von Metallen ist ihre Neigung zur Korrosion. Außer Gold und Silber sind die meisten Metalle dem Angriff von Luftsauerstoff ausgesetzt, der Korrosion verursacht.

Spezifische Metalle im Überblick

Kupfer: Ein vielseitiges Metall

Kupfer war eines der ersten reinen Metalle, das vom Menschen verwendet wurde. Seine Eigenschaften sind: Es besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit, ist duktil, leicht zu bearbeiten, formbar, geschmeidig und weich genug. Es eignet sich gut zum Löten und für Wärmebehandlungen.

Eisen: Fundament der Industrie

Eisen ist heute das am häufigsten verwendete Metall. Es ist ein Schwermetall mit hoher Festigkeit und Zähigkeit (wichtig für die Herstellung von Strukturen). Besonders hervorzuheben sind seine magnetischen Eigenschaften (für den Bau von Magneten). Es neigt stark zur Korrosion. Daher ist in vielen Fällen die Verwendung von Legierungen wie Stahl vorzuziehen oder Schutzmaßnahmen wie das Auftragen von Korrosionsschutzfarben anzuwenden.

Aluminium: Leicht und vielseitig

Aluminium ist leichter als die meisten anderen Metalle, ein guter Wärme- und Stromleiter, verformbar und weicher als Kupfer. Es eignet sich gut für Schweiß-, Gieß- und Schmiedeverfahren. Es ist eines der Metalle mit den vielfältigsten Anwendungen.

Edelmetalle: Silber und Gold

Silber ist ein sehr dehnbares und verformbares Metall. Es ist der beste Leiter für Strom und Wärme und wird auch bei der Herstellung von Spiegeln verwendet. Gold ist das duktilste und formbarste aller Metalle. Es hat eine hohe Dichte und ist ein guter Wärme- und Stromleiter. Es wird in der Schmuckherstellung verwendet und dient zum Schutz wertvoller Gegenstände vor Korrosion.

Legierungen: Eigenschaften und Typen

Eine Legierung ist eine Kombination aus zwei oder mehr Metallen, die auch geringe Mengen nichtmetallischer Elemente enthalten kann. Sie werden in der Regel in verschiedene Klassen eingeteilt:

Ferrolegierungen: Stahl und seine Varianten

Die wichtigste Ferrolegierung ist Stahl, der durch die Zugabe von weniger als 2% Kohlenstoff zu Eisen gewonnen wird. Stähle, die außer Kohlenstoff keine weiteren Legierungselemente enthalten, werden als Kohlenstoffstähle bezeichnet. Fast 90% des in der Industrie verwendeten Stahls sind Kohlenstoffstähle, bei denen der Kohlenstoffanteil unter 1% liegt.