Metallische Konstruktionswerkstoffe

Eigenschaften metallischer Konstruktionswerkstoffe

Metallische Werkstoffe verfügen über elektrische Leitfähigkeit, welche je nach Metallart und Temperatur variiert. Die Leitfähigkeit eines Metalls kann mit dem Bandmodell erläutert wer-den.
„Metalle zeichnen sich durch eine besonders gute Leitfähigkeit dann aus, wenn sie nur ein Elektron in ihrer äußersten Schale haben, das Leitungsband also nur zur Hälfte gefüllt ist.“ (Bargel, Hans-Jürgen (1980), Werkstoffkunde, 8. Auflage, Berlin, Seite 11, 2. Absatz). Bei Silber und Kupfer ist dies der Fall. Aus diesem Grund wird (unter Berücksichtigung des Kostenaspektes) Kupfer meistens als Isolierwerkstoff verwendet.

Zweiwertige Metalle, also Metalle mit zwei Elektronen auf der äußersten Schale (auch Va-lenzelektronen genannt) sind elektrisch leitfähig, da das Valenzband bis in das Leitungsband hineinreicht.
Elektronen von benachbarten Atomen können somit bei ein- und zweiwertigen Metallen noch freie Energiezustände im Leitungsband annehmen.

Alle Metalle sind sehr wärmeleitfähig. Die Wärmeleitfähigkeit eines Metalls verändert sich mit der Temperatur des Metalls, jedoch proportional zur elektrischen Leitfähigkeit.
Einige Metalle sind magnetisierbar. Das bedeutet, dass die Umlaufbewegung und Eigenrotation so durch ein Magnetfeld ausgerichtet werden können, dass sich die Elektronen verur-sachten Magnetfelder nicht gegenseitig aufheben.
Die mechanische Verformbarkeit von Metallen ist abhängig von der Metallart und der Metalllegierung. Grundsätzlich sind Metalle elastisch verformbar, dass heißt, die Verformung be-steht nur bei Belastung. Lässt die Belastung nach, kehrt das Metall in seine Ursprungsform zurück.
Ist die Belastung jedoch eine höhere, eine Grenzwert überschreitende Belastung, ist die Ver-formung plastisch, d.h. die Verformung bleibt auch bestehen, wenn die Krafteinwirkung nach-lässt oder verschwindet. Die plastische Verformung tritt ein, wenn die einwirkende Kraft die Kohäsion (Zusammenhangskraft) nachlässt und sich Atome verschieben.

Metalle verfügen generell über eine gute Festigkeit und hohe Dichte (z.B. im Vergleich zu Kunststoffen). Die Aufnahmefähigkeit von mechanischer Beanspruchung kann jedoch von Korrosion geschädigt werden. Bestimmte Legierungen beseitigen die Anfälligkeit für Korrosion.

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Konstruktionswerkstoffe

Werkstoffe sind Stoffe, welche über Produktionsprozesse in Endprodukte eingehen und demnach Betriebsmittel zur Herstellung eines Produktes sind.Werkstoffe, welche mechanische Belastungen aufnehmen und diese verkraften müssen, werden Konstruktionswerkstoffe oder seltener auch Strukturwerkstoffe genannt.

Konstruktionswerkstoffe müssen verschiedenen Anforderungen gerecht werden. Die Anforderungen betreffen vor allem die Belastungsfähigkeit gegenüber mechanischen Einwirkungen, aber auch andere Eigenschaften spielen bei Konstruktionswerkstoffen eine Rolle. So darf ein Werkstoff, welcher z.B. Elektronik zusammenhält und vor Umwelteinflüssen schützt, eventuell nicht elektrisch leiten, schmelzen oder leicht entflammbar sein.

Konstruktionswerkstoffe können aus verschiedenen Werkstoffgruppen kommen, für die Konstruktionswerkstoffe kann folgende Einteilung vorgenommen werden:

  1. metallische Werkstoffe
  2. organische Werkstoffe
  3. anorganische nichtmetallische Werkstoffe

Was ist ein Werkstoff?

Werkstoffe werden unterschiedlich definiert. Nach dem Definitionsversuch nach Ondracek ist ein Werkstoff ein Material, welches einige Bedingungen erfüllt:

  • eine technische Verwertbarkeit oder einen anderen anwendungerelevanten Aggregatzustand annehmen kann
  • technologisch und
  • wirtschaftlich und
  • umweltverträglich einsetzbar ist

Einteilbar sind Werkstoffe in die drei Kategorien nach stofflichen, eigenschaftstechnischen und anwendungstechnischen Aspekten.

Werkstoffbaum nach stofflichen Kriterien:

Welches sind nutzbare Eigenschaften eines Werkstoffs? (-> Beispiele)

  • Dichte (Gewicht) -> Gegengewichte am Krahn, auf Waagen etc.
  • Elastizität / Verformbarkeit -> Abdruckmittel, Kraftdämpfung
  • Korrosionsbeständigkeit -> allwettertaugliche Statik
  • Elektrische Leitfähigkeit -> Leiterbahnen, Widerstände
  • Wärmeleitfähigkeit -> Wärmedämmung
  • Schweißbarkeit -> Fügen, verbinden
  • Legierbarkeit -> Elementanpassbarkeit durch Vermischung
  • Optische Eigenschaften ->Transparenz bei Fensterscheiben