Werkstoffkunde: Klassifizierung, Eigenschaften und Brandschutz

Klassifizierung der Materialien

Die allgemeine Klassifikation der Materialien erfolgt wie folgt:

• Metalle: Eisenmetalle und Nichteisenmetalle (NE-Metalle).
• Nichtmetalle: Organische und anorganische Werkstoffe.

Metalle und ihre Eigenschaften

Eisenmetalle: Wie der Name vermuten lässt, ist Eisen der Hauptbestandteil. Ihre Hauptmerkmale sind eine hohe Zugfestigkeit und Härte. Die wichtigsten Legierungen sind mit Zinn, Silber, Platin, Mangan, Vanadium und Titan erhältlich. Zu den wichtigsten Produkten aus metallischen Werkstoffen gehören Grauguss, Temperguss, Stahlguss und Weißguss.

Nichteisenmetalle (NE-Metalle): Diese haben gewöhnlich eine geringere Festigkeit und Härte als Eisenmetalle, aber ihre Korrosionsbeständigkeit ist überlegen. Im Vergleich zu eisenhaltigen Materialien sind ihre Kosten höher, jedoch konnten neue Extraktions- und Veredelungstechniken die Kosten erheblich senken, sodass ihre Wettbewerbsfähigkeit in den letzten Jahren stark gewachsen ist.

Die wichtigsten NE-Metalle in der Fertigung sind:

• Aluminium
• Kupfer
• Magnesium
• Nickel
• Blei
• Zink
• Titan

NE-Metalle werden in der Herstellung sowohl als komplementäre Elemente von Metallen als auch als reine oder legierte Werkstoffe verwendet. Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften sind sie für spezifische Anforderungen nützlich, wie zum Beispiel Bronze (Kupfer, Blei, Zinn) und Messing (Kupfer-Zink). Anwendungen finden sich in Strukturen, Mechanismen, Drähten, Rohren usw.

Nichtmetallische Werkstoffe

Nichtmetallische Werkstoffe werden in organische und anorganische Ursprünge unterteilt.

Organische Materialien

Diese gelten als organisch, wenn sie pflanzliche oder tierische Zellen enthalten. Diese Materialien sind in der Regel in organischen Flüssigkeiten wie Alkohol oder Tetrachlorkohlenstoff löslich, lösen sich jedoch nicht in Wasser auf und widerstehen hohen Temperaturen nicht. Weitere Merkmale sind eine geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie eine gute Korrosionsbeständigkeit. Vertreter dieser Gruppe sind: Kunststoffe, Holzprodukte, Öl, Gummi, Papier und Leder. Anwendungen: Verpackte Lebensmittel, Holz, Klebstoffe.

Anorganische Materialien

Dazu gehören alle Stoffe, die nicht aus tierischen oder pflanzlichen Zellen stammen oder nicht mit Kohle verwandt sind. Normalerweise können sie in Wasser gelöst werden und widerstehen Wärme besser als organische Stoffe. Häufig verwendete anorganische Materialien sind: Mineralien, Zement, Keramik, Glas und Graphit (Kohle). Anwendungen: Isolation, Korrosionsschutz, feuerfeste Materialien.

Materialverarbeitung und Fertigungsprozesse

Materialien werden fast nie in dem Zustand verwendet, in dem sie gefunden werden. In der Regel müssen sie Prozessen unterzogen werden, um spezifische Eigenschaften zu erzielen. Diese Prozesse erfordern spezielle Techniken und Strukturen, was die Kosten der Materialien erheblich steigern kann – oft um ein Vielfaches der ursprünglichen Kosten. Fertigungsprozesse zur Umwandlung von Rohstoffen in nützliche Produkte erfordern spezielle Studien zur Anwendungsentwicklung und Kostenreduktion.

Tragverhalten von Materialien im Brandfall

Beim Bau werden verschiedene Materialien verwendet – einige für die Ästhetik, andere für den Widerstand der Struktur. Die Auswirkungen von Feuer hängen stark von der Zusammensetzung ab. In diesem Kurs untersuchen wir das Verhalten von Stahl, Beton und Holz.

• Im reinen Zustand ohne Schutz leiden Materialien unter extremer Feuereinwirkung.
• Stahl ist besonders gefährdet, da er Wärme schnell leitet und bei hohen Temperaturen seine Tragfähigkeit verliert.

Thermodynamik des Feuers

Für jedes Material kann man unterscheiden:

1. Vergasungstemperatur: Die Temperatur, bei der das Material vergast.
2. Zündtemperatur: Die Temperatur, bei der das Material leicht entflammbar wird.

Das Branddreieck

Wenn Eisen im Freien oxidiert, verbindet sich Sauerstoff langsam mit dem Eisen. Feuer ist ein ähnliches Phänomen, jedoch eine rasche Oxidation, die wir Verbrennung nennen. Voraussetzungen für eine Verbrennung sind:

1. Genügend Sauerstoff.
2. Ein brennbares Material.
3. Genügend Wärme, um die Verbrennung zu starten.
4. Eine Kettenreaktion, die das Feuer aufrechterhält, solange Brennstoff und Sauerstoff vorhanden sind.

Wärmeübertragung

Wärme wird auf drei Arten übertragen:

• Leitung (Konduktion): Direkter Kontakt zwischen Objekten.
• Strahlung: Übertragung durch unsichtbare Hitzewellen (elektromagnetische Wellen) durch die Luft oder den Raum.
• Konvektion: Übertragung durch Flüssigkeiten oder Gase (z. B. aufsteigende heiße Luft in Gebäuden).

Klassifizierung von Bränden

Nach dem chilenischen Standard Nr. 934 werden Brände in vier Klassen unterteilt:

• Brandklasse A: Normale brennbare Materialien (Holz, Papier, Textilien). Symbol: Weißes A auf grünem Dreieck.
• Brandklasse B: Brennbare Flüssigkeiten (Öl, Benzin, Farben). Symbol: Weißes B auf rotem Quadrat.
• Brandklasse C: Elektrische Brände (unter Spannung stehende Geräte). Symbol: Weißes C auf blauem Kreis.
• Brandklasse D: Brände von Leichtmetallen (Aluminium, Magnesium). Symbol: Weißes D auf gelbem Stern.

Spezifisches Verhalten von Baustoffen

Verhalten von Stahl

Stahl ist ein hervorragender Wärmeleiter. Er verliert bereits bei ca. 500 °C zwei Drittel seiner ursprünglichen Festigkeit. Bei dieser Temperatur dehnt er sich aus und beginnt sich zu verformen (Durchbiegung), was zum Einsturz der gesamten Struktur führen kann. Metalle haben unter Hitzeeinwirkung generell ein hohes Risiko für Verformung und Kollaps.

Verhalten von Beton

Stahlbeton hat normalerweise eine gute Feuerbeständigkeit. Dennoch ist er nicht absolut sicher. Bei 1000 °C zerfällt Kies und Zement dehydriert. Ein kritisches Phänomen ist das "Abplatzen" (Spalling), bei dem Betonoberflächen aufgrund von thermischen Spannungen abspringen. Zudem kann Beton durch saure Brandgase korrodieren.

Spannbeton: Hierbei wird der Beton durch hochfeste Stahlkabel unter Druckspannung gesetzt. Man unterscheidet zwischen Vorspannung mit sofortigem Verbund und Post-Tensioning (nachträgliche Spannung).

Verhalten von Holz

Holz besteht hauptsächlich aus Zellulose und Lignin. Im Brandfall bildet Holz eine Kohleschicht an der Oberfläche, die eine isolierende Wirkung hat. Die durchschnittliche Abbrandgeschwindigkeit beträgt etwa 0,6 mm/min. Ein Risiko bei Holz ist die Freisetzung von Gasen, die Korrosion an umgebenden Materialien verursachen können.

Passiver Brandschutz

Der passive Brandschutz umfasst bauliche Maßnahmen, die die Ausbreitung von Feuer verhindern und die Evakuierung erleichtern. Dazu gehören:

• Brandmauern und Trennwände.
• Brandschutztüren.
• Feuerhemmende Beschichtungen.
• Richtige Dimensionierung der Bauteile.

In Chile regelt die Gesetzgebung (z. B. NCh 935/1) den Schutz von Strukturen basierend auf der Standardkurve UL 263.

Mechanische Prüfverfahren

Schlagbeanspruchung (Shock)

Untersucht das Verhalten von Materialien bei plötzlichen Belastungsänderungen, um sprödes Versagen zu vermeiden.

Ermüdung (Fatigue)

Materialien können bei wiederholten Spannungen brechen, die weit unter ihrer statischen Festigkeit liegen. Man unterscheidet Ermüdungsversuche mit konstanter und variabler Amplitude.

Härteprüfung

Härte ist der Widerstand gegen das Eindringen eines anderen Körpers. Wichtige Verfahren sind:

• Rockwell-Härte: Messung der Eindringtiefe.
• Vickers-Härte: Verwendung einer diamantförmigen Pyramide.
• Brinell-Härte: Eindringen einer Kugel.

Zugversuch (Traktion)

Bestimmt die Festigkeit und Verformbarkeit eines Metalls, indem es bis zum Bruch gedehnt wird. Hierbei werden Werte wie die Streckgrenze und die maximale Zugfestigkeit ermittelt.

Zusammenfassung der Materialeigenschaften

• Physikalische Eigenschaften: Farbe, Dichte, Schmelzpunkt, Siedepunkt.
• Mechanische Eigenschaften: Elastizität, Plastizität, Duktilität, Härte, Zähigkeit, Sprödigkeit, Bearbeitbarkeit.
• Chemische Eigenschaften: Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit.
• Elektrische/Thermische Eigenschaften: Leitfähigkeit für Strom und Wärme.
• Magnetische Eigenschaften: Verhalten in elektromagnetischen Feldern.