Metallkunde: Eigenschaften, Strukturen und Anwendungen

1. Einführung

Metalle werden als Materialien definiert, die aus metallischen chemischen Elementen bestehen. Diese Elemente setzen sich aus Atomen zusammen, die durch metallische Bindungen verbunden sind, was einen entscheidenden Einfluss auf ihre Eigenschaften hat. Unter der Wolke von Elektronen, die durch eine Reihe von Metallionen freigegeben wird, können metallische Werkstoffe eine relative Verschiebung der Ionenschichten gegeneinander vollziehen, ohne zu brechen. Dies bestimmt ihre Plastizität und macht sie zu den interessantesten Materialien in der Technik, neben ihrer elektrischen und thermischen Leitfähigkeit.

Metalle finden sich in der Natur meist kombiniert mit anderen Elementen wie Carbonaten, Sulfaten oder Oxiden. Der Prozess der Gewinnung und Untersuchung ihrer Eigenschaften nennt sich Metallurgie.

1.1. Eisenmetalle

Wie der Name besagt, ist Eisen der Hauptbestandteil. Die wichtigsten Merkmale sind ihre hohe Zugfestigkeit und Härte. Zu den Legierungen zählen Verbindungen mit Zinn, Kohle, Silber, Platin, Mangan, Vanadium und Titan. Ihre Verwendung im Bauwesen ist sehr verbreitet, insbesondere bei Stahl (Legierung aus Eisen und Kohlenstoff).

1.2. Nichteisenmetalle (NE-Metalle)

NE-Metalle haben in der Regel eine geringere Zugfestigkeit und Härte als Eisenmetalle, jedoch ist ihre Korrosionsbeständigkeit überlegen. Ihre Kosten sind im Vergleich zu eisenhaltigen Materialien höher, doch durch neue Gewinnungstechniken ist ihre Wettbewerbsfähigkeit stark gewachsen. Wichtige NE-Metalle im Bauwesen sind Aluminium, Kupfer, Nickel, Blei und Zink. Auch Legierungen wie Bronze (Kupfer, Zinn) und Messing (Kupfer, Zink) sind von großer Bedeutung.

2. Struktur und Eigenschaften

Die Eigenschaften metallischer Werkstoffe werden durch ihre strukturellen Merkmale bestimmt.

2.1. Chemische Zusammensetzung

Die Bindungskräfte zwischen verschiedenen Metallatomen werden maßgeblich durch die Art der Atome und deren Valenzen beeinflusst.

2.2. Kristallstruktur

Feste Stoffe können kristalline oder amorphe Strukturen aufweisen. Metalle bilden in fester Form regelmäßig angeordnete dreidimensionale Gitter. Wenn ein Material unterschiedliche Kristallstrukturen annehmen kann, spricht man von einem polymorphen Material. Wichtige Gitterstrukturen sind:

• Kubisch-raumzentriert (BCC): Eisen bei Raumtemperatur (Ferrit), Chrom, Molybdän.
• Kubisch-flächenzentriert (FCC): Gamma-Eisen (Austenit), Aluminium, Kupfer, Gold. Diese sind verformbarer.
• Hexagonal-dichtest gepackt (HCP): Beryllium, Zink, Titan. Diese sind eher spröde.

2.3. Kornstruktur

Die Korngröße hängt von der Abkühlungsgeschwindigkeit während der Erstarrung ab. Ein Material mit kleinen Körnern ist in der Regel härter und dehnbarer als eines mit großen Körnern. Die Bestimmung erfolgt meist mittels metallurgischem Mikroskop.

2.4. Legierungen

Die Zugabe von Legierungselementen verändert das Metallgitter und verbessert mechanische Eigenschaften oder die thermische Beständigkeit.

3. Eigenschaften

3.1. Zugfestigkeit

Die wichtigste Prüfung ist der Zugversuch, bei dem die Dehnung bis zum Bruch gemessen wird. Wichtige Kennwerte sind:

• Streckgrenze (fy): Maximale Spannung bei elastischem Verhalten.
• Bruchgrenze (fs): Maximale Zugbelastung vor dem Bruch.
• Elastizitätsmodul: Steigung der elastischen Verformungskurve.

3.2. Verformbarkeit

Man unterscheidet zwischen Elastizität (rückstellbar) und Plastizität (bleibende Verformung). Duktilität beschreibt die Fähigkeit, sich unter Zugspannung zu verformen, ohne zu brechen.

3.3. Härte

Härte ist der Widerstand gegen bleibende Verformung. Gängige Prüfverfahren sind:

• Brinell-Test: Eindrücken einer Kugel.
• Shore-Härte: Rückprallmessung.

3.4. Schweißeignung

Schweißen ist die Verbindung von Metallen durch Erhitzen, Reibung oder Druck. Eine Schweißnaht sollte so stark wie das Grundmaterial sein.

3.5. Elektrische Leitfähigkeit

Alle Metalle leiten Strom, jedoch unterschiedlich gut. Kupfer und Aluminium sind die besten Leiter. Der Widerstand hängt von der Länge, dem Querschnitt und der Materialbeschaffenheit ab.

3.6. Thermische Eigenschaften

Metalle dehnen sich bei Erwärmung aus (Wärmeausdehnung). Stahl verliert bei hohen Temperaturen (ab 800-900 °C) seine strukturelle Festigkeit, was im Brandfall zum Zusammenbruch führen kann.

3.7. Haltbarkeit

Wichtige Faktoren sind Ermüdung (bei dynamischer Belastung) und Korrosion (Oxidation durch Sauerstoff und Feuchtigkeit).

4. Behandlungen

4.1. Mechanische Bearbeitung

• Walzen: Umformung durch Druck (Warm- oder Kaltwalzen).
• Gießen: Schmelzen und Erstarren in Formen.
• Spanende Bearbeitung: Bohren, Schneiden, Polieren.

4.2. Wärmebehandlung

• Glühen: Erhitzen und langsames Abkühlen zur Spannungsreduzierung.
• Härten (Abschrecken): Schnelles Abkühlen zur Erhöhung der Härte.
• Anlassen: Nachbehandlung zur Verbesserung der Zähigkeit.

5. Metalle im Bauwesen

5.1. Aluminium

Leicht, duktil und korrosionsbeständig. Häufig in der Luftfahrt und im Fassadenbau verwendet.

5.2. Zink

Wird primär als Korrosionsschutz (Verzinkung) für Stahl eingesetzt.

5.3. Kupfer

Hervorragende elektrische Leitfähigkeit, korrosionsbeständig, wird oft legiert (Messing, Bronze).

5.4. Blei

Sehr weich und schwer, wird heute aufgrund seiner Toxizität im Bauwesen kaum noch für Rohre verwendet.

5.5. Eisen und Stahl

Stahl ist der wichtigste Baustoff. Er besteht aus Eisen und Kohlenstoff (< 2%). Durch Legierungselemente wie Chrom oder Nickel entstehen Edelstähle, die eine exzellente Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

5.6. Verzinkter Stahl

Stahl, der durch Feuerverzinkung oder elektrolytische Verfahren mit einer Zinkschicht überzogen wurde, um ihn vor Rost zu schützen.