Werkstoffkunde: Eigenschaften und Klassifizierung

Einführung in die Werkstoffkunde

Definition von Materialien

Der Begriff "Material" bezieht sich auf Elemente, die für bestimmte Aufgaben benötigt werden. Er kann in verschiedenen Situationen angewendet werden, bezeichnet aber immer mehrere nützliche und wichtige Elemente, oft auch gemeinsam genutzte Objekte.

Rohstoffe

Alle Gegenstände, die in der Entwicklung eines Produkts verwendet werden. Ein Rohstoff ist jedes Element, das verarbeitet und in ein Endprodukt integriert wird.

Produkt

Etwas, das entstanden ist oder das Ergebnis von Arbeit oder Anstrengung ist. Es ist das Ergebnis eines natürlichen, sozialen, industriellen Prozesses usw.

Allgemeine Klassifizierung von Materialien

1. Metalle

Metalle verfügen über eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit, hohe Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit. Sie sind besonders nützlich in Anwendungen mit struktureller Belastung. Legierungen (Kombinationen von Metallen) verstärken eine besonders wünschenswerte Eigenschaft oder bieten eine bessere Kombination von Eigenschaften.

a) Eisenwerkstoffe

"Ferrum" kommt von dem Wort, das die Römer für Eisen verwendeten. Eisenhaltige Materialien sind solche, die Eisen als Hauptbestandteil enthalten, d.h. die vielen Qualitäten von Eisen und Stahl.

b) Nichteisenmetalle (NE-Metalle)

Enthalten kein Eisen. Dazu gehören Aluminium, Magnesium, Zink, Kupfer, Blei und andere Metalle. Legierungen wie Messing und Bronze sind Kombinationen einiger dieser Edelmetalle und werden als Buntmetalle bezeichnet.

2. Keramiken

Keramiken haben eine geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit und werden oft als Isolierung verwendet. Sie sind stark und hart, aber spröde und brüchig. Neue Techniken ermöglichen widerstandsfähige Keramiken, die auch unter Belastung eingesetzt werden können. Zu dieser Gruppe gehören: Ziegel, Glas, Porzellan, feuerfeste Materialien und Schleifmittel.

3. Polymere

Polymere sind große molekulare Strukturen aus organischen Molekülen. Sie haben eine geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit, geringen Widerstand und sollten bei hohen Temperaturen vermieden werden. Thermoplastische Polymere, bei denen die Molekülketten nicht starr verbunden sind, haben eine gute Duktilität und Verformbarkeit. Duroplaste sind widerstandsfähiger, obwohl stark verknüpfte Molekülketten sie anfälliger machen. Sie haben vielfältige Anwendungen, einschließlich elektronischer Geräte.

4. Halbleiter

Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern kann gesteuert werden, um sie in elektronischen Geräten zu verwenden. Sie sind sehr zerbrechlich.

5. Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe bestehen aus zwei oder mehr Materialien, die sich in ihren Eigenschaften von den einzelnen Materialien unterscheiden. Beispiele sind langfaserverstärkte Thermoplaste (z.B. thermoplastische Glasfasergewebe), Tiefzieh- oder Duroplast-Verbindungen, Cermets (Keramik und Metall), Metall-Intermetall-Laminate und Hartmetalle (Hartmetallmatrix).

6. Natürliche Rohstoffe

Diese werden direkt aus der Natur gewonnen und vom Menschen seit der Antike verwendet.

Entwickeln Sie eine Reihe von Anwendungen und Fällen im Zusammenhang mit Fahrzeugen.

Physikalisch-chemische Eigenschaften von Materialien

Die Eigenschaften von Materialien lassen sich in vier Hauptgruppen einteilen: physikalische, chemische, mechanische und technologische Eigenschaften.

1. Mechanische Eigenschaften

Das Verhalten von Materialien wird durch ihre Struktur definiert. Die mikroskopische Ebene und die elektronische Struktur eines Atoms bestimmen die Art der atomaren Bindungen, die wiederum die Eigenschaften eines bestimmten Materials bestimmen. Sie beschreiben, wie das Material Kräften standhält, darunter Zug-, Druck-, Stoß- und zyklische Kräfte oder Kräfte bei hohen Temperaturen.

Zähigkeit: Die Eigenschaft bestimmter Materialien, plötzlichen Belastungen zu widerstehen, ohne sich zu verformen oder zu brechen.

Elastizität: Die Fähigkeit einiger Materialien, nach einer Verformung ihre ursprüngliche Form und Größe wiederherzustellen, wenn die einwirkende Kraft entfernt wird.

Härte: Der Widerstand eines Materials gegen das Eindringen.

Sprödigkeit: Ein Material ist spröde, wenn es durch einen Schlag leicht bricht.

Plastizität: Fähigkeit einiger fester Materialien, unter der Einwirkung einer äußeren Kraft oder eines Drucks bleibende Verformungen zu erwerben, ohne zu brechen. Duktilität (als Variante der Plastizität) ist die Eigenschaft bestimmter Metalle, sich zu feinen Drähten dehnen zu lassen. Verformbarkeit (eine weitere Variante der Plastizität) ist die Möglichkeit der Umwandlung in dünne Bleche.

Kriechen: Eigenschaft einiger Metalle, sich unter der Einwirkung ihres Eigengewichts oder sehr kleiner Lasten langsam und spontan zu verformen.

Ermüdung: Diese Eigenschaft wird verwendet, um Materialien zu messen, die periodischen Belastungen ausgesetzt sind.

Mechanische Belastung

Beim Aufbau einer Struktur müssen die Elemente so konstruiert sein, dass sie den Kräften, Belastungen und Einwirkungen standhalten können. Die Arten von Belastungen sind:

Druckbelastungen: Kräfte, die versuchen, ein Objekt zu komprimieren oder zu verkürzen.

Biegebelastungen: Kräfte, die versuchen, ein Objekt zu verbiegen, indem es an beiden Enden gedrückt wird.

Zugbelastungen: Kräfte, die versuchen, etwas auseinanderzuziehen.

Scherbelastungen: Gegenkräfte, die versuchen, ein Objekt gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen zu schieben.

Torsionskräfte: Kräfte, die versuchen, ein Objekt in entgegengesetzte Richtungen zu drehen.

Knicklasten: Kräfte, die ein Phänomen der elastischen Instabilität in schlanken Elementen hervorrufen können und sich durch signifikante Querverschiebungen (Ablenkung) zur Hauptrichtung der Kompression äußern.

Die oben genannten mechanischen Eigenschaften erzeugen mechanische Kräfte, die durch mechanische Tests gemessen werden:

• Zugversuch: Gibt eine Vorstellung von der Zähigkeit und Elastizität des Materials.
• Härteprüfung: Ermöglicht es, die Härte des Materials zu bestimmen.
• Schlagversuch: Ermöglicht es, die Sprödigkeit und Zähigkeit des Materials zu bestimmen.
• Technologische Prüfungen: Zeigen die Eigenschaften der Plastizität eines Materials für die Durchführung von Schmiede-, Biege-, Stanz- und anderen Prozessen.

2. Technologische Eigenschaften

Bestimmen die Fähigkeit eines Metalls, in nützliche Teile geformt zu werden.

Verformbarkeit: Eigenschaft von Metall, die seine Formbarkeit misst.

Fließvermögen: Die Fähigkeit eines geschmolzenen Metalls, Gussteile vollständig und ohne Makel herzustellen. Ein Metall muss dafür ein gutes Fließvermögen aufweisen.

Schweißbarkeit: Die Fähigkeit eines Materials, mit einem anderen identischen Material unter Druck und Hitze verschweißt zu werden.

Härtbarkeit: Die Eigenschaft eines Metalls, abrupte Veränderungen in der kristallinen Struktur durch Erhitzen und Abkühlen zu erfahren.

Schmieden: Formen eines Metalls durch Schlagen mit Hämmern, wodurch es gedehnt oder komprimiert wird, um die gewünschte Form zu erhalten. Kohlenstoffarme Stähle haben diese Eigenschaft.

Bearbeitbarkeit: Eigenschaft von Metall, durch ein geeignetes Schneidwerkzeug bearbeitet zu werden.

3. Physikalische Eigenschaften von Materialien

Die physikalischen Eigenschaften eines Stoffes erhalten die ursprünglichen Eigenschaften der Moleküle, die sich nicht ändern. Sie sind materialspezifisch und intrinsisch.

a) Elektrische Eigenschaften

Beschreiben das elektrische Verhalten des Metalls, das oft kritischer ist als sein mechanisches Verhalten. Es gibt auch das dielektrische Verhalten, das charakteristisch für Materialien ist, die den Fluss des elektrischen Stroms verhindern.

• Leiter: Materialien mit einer großen Anzahl von Elektronen im Leitungsband, d.h. mit großer Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten (hohe Leitfähigkeit). Alle Metalle sind Leiter, einige besser als andere.
• Halbleiter: Einige Materialien sind Leiter, aber die Elektronen können leicht vom Valenzband in das Leitungsband springen, wenn ihnen externe Energie zugeführt wird. Beispiele sind Silizium, Germanium, Galliumarsenid, vor allem Keramiken.
• Dielektrische Isolatoren: Materialien, deren Elektronen fest an den Kern gebunden sind und sich daher nicht bewegen und folglich nicht leiten können. Gute Isolatoren sind z.B. Glimmer, Porzellan, Polyester, sowie viele keramische Werkstoffe und Polymermaterialien.
• Elektrische Leitfähigkeit: Die Fähigkeit eines Mediums oder Raums, den Durchgang von elektrischem Strom zu ermöglichen. Sie ist auch definiert als die natürliche Eigenschaft eines jeden Körpers, die die Leichtigkeit angibt, mit der Elektronen ihn durchqueren können.

b) Magnetische Eigenschaften

Ein physikalisches Phänomen, bei dem Materialien Anziehungs- oder Abstoßungskräfte auf andere Materialien ausüben. Einige Materialien, wie Nickel, Eisen, Kobalt und ihre Legierungen (Magnete), haben leicht nachweisbare magnetische Eigenschaften. Allerdings werden alle Materialien mehr oder weniger durch die Anwesenheit eines Magnetfeldes beeinflusst.

Magnetische Materialien

c) Thermische Eigenschaften

Bestimmen das Verhalten von Werkstoffen bei Hitzeeinwirkung.

• Wärmeleitfähigkeit: Die Eigenschaft des Materials, Wärme zu übertragen. Ein Material kann ein guter oder schlechter Wärmeleiter sein.
• Schmelzbarkeit: Leichtigkeit, mit der ein Material schmilzt.
• Schweißbarkeit: Leichtigkeit, mit der ein Material mit sich selbst oder einem anderen Material verschweißt werden kann. Materialien mit guter Schmelzbarkeit haben in der Regel eine gute Schweißbarkeit.
• Wärmeleitfähigkeit: Fähigkeit des Materials, Wärme zu leiten.
• Schmelzwärme: Zusätzliche Wärme, die benötigt wird, um ein Material zu schmelzen, nachdem es seinen Schmelzpunkt erreicht hat.
• Wärmeausdehnung: Tendenz des Materials, seine Größe zu erhöhen, wenn die Temperatur steigt.
• Schmelzpunkt: Temperatur, die benötigt wird, um von fest zu flüssig zu wechseln.

Weitere physikalische Eigenschaften:

Spezifische Wärme: Die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur einer bestimmten Menge des Materials um ein Grad zu erhöhen.

Dichte: Relativ kompakte Konformation des Materials. Die Dichte ist die Masse des Materials geteilt durch das Volumen, das es einnimmt.

Gewicht: Menge der Schwerkraft eines Objekts aufgrund der Anziehungskraft der Erde.

Gefrierpunkt: Temperatur, die benötigt wird, um von flüssig zu fest zu wechseln.

4. Chemische Eigenschaften

Eine chemische Eigenschaft ist eine Eigenschaft eines Materials, die während einer chemischen Reaktion erkennbar wird, d.h. jede Qualität, die nur durch Veränderung der chemischen Identität des Stoffes festgestellt werden kann. Die innere Struktur muss untersucht werden.

Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der ein Atom, Ion oder Molekül Elektronen abgibt. Die Oxidationsstufe erhöht sich. Diese Änderung kann auch ohne Elektronentransfer auftreten.

Eine chemische Reaktion ist ein Prozess, bei dem zwei oder mehr Stoffe (Reaktanten) durch die Wirkung eines Energiefaktors in andere Stoffe (Produkte) umgewandelt werden. Diese Stoffe können Elemente oder Verbindungen sein. Ein Beispiel ist die Bildung von Eisenoxid durch die Reaktion von Sauerstoff aus der Luft mit Eisen.

Korrosion: Die Verschlechterung des Materials als Folge des elektrochemischen Angriffs seiner Umgebung. Es ist der allgemeine Trend von Materialien, ihren stabilsten Energiezustand zu finden. Wenn Korrosion durch eine elektrochemische Reaktion (Oxidation) verursacht wird, hängt die Geschwindigkeit von der Temperatur, dem Salzgehalt der Flüssigkeit und den Eigenschaften der Metalle ab. Andere nichtmetallische Werkstoffe korrodieren durch andere Mechanismen.

Korrosion kann durch eine chemische Reaktion (Redox) verursacht werden, an der folgende Faktoren beteiligt sind:

• Das Werkstück
• Die Umgebung
• Wasser

Korrosion ist ein natürlicher Prozess, der durch die Tendenz von Metallen zum Elektronentransfer erzeugt wird. Dieser Prozess kann jedoch auch unnatürlich ausgelöst werden, z.B. durch eine Lötlampe, die das Metall zum Rosten zwingt.

*Legierungen: Feste Kombinationen von Metallen oder Gemische aus zwei oder mehreren Metallen, in denen die Atome eines Metalls wenig Raum zwischen den Atomen eines anderen Metalls einnehmen.