Werkstofftechnik

Holz ist ein direkter, organischer Naturstoff, welcher einer der ersten Konstruktionswerkstoffe des Menschen ist.
Holz als Werkstoff kommt als Massivholz in Form eines Holzwerkstoffes vor. Massivholz ist naturbelassenes oder verarbeitetes Holz, welches seine natürliche Struktur und Festigkeit behalten hat. Holzwerkstoffe sind die zusammengefügte Form von zerkleinertem Holz. Die Zusammenfügung der Holzpartikel wird mit natürlichen oder synthetischen Bindemitteln erreicht.

Eigenschaften von Holz als Konstruktionswerkstoff

Holz ist i.d.R. hygroskopisch, also wasseranziehend, was den biologischen Verfall und die Dichte des Materials beeinflussen kann. Insbesondere da Holz als biologisches Material einem natürlichen Verfall ausgeliefert und anfällig für biologische Schädlinge ist, ist Holz nur bedingt für große Konstruktionen geeignet, welche Jahrhunderte überdauern sollen.
Holz hat zwar eine geringere Festigkeit als Metall, hat aber ein besseres Verhältnis zwischen Dichte(Gewicht) und Festigkeit als Metall. Holz ist ein elektrischer Nicht-Leiter und ein sehr schlechter Wärmeleiter.
Die optische Erscheinung von Massivholz ist in Struktur und Farbe ungleichmäßig, da es ein reines Naturprodukt ist. Die oberflächliche Erscheinung kann durch Einwirkung von UV-Licht verändert bzw. geschädigt werden.
Holzwerkstoffe sind i.d.R. für einen bestimmten Zweck vorgesehen und für diesen optimiert und haben aus diesem Grund oft gegenüber Massivholz Vorteile. Vorteile von Massivholz können z.B. verstärkte Festigkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit oder eine angepasste Oberfläche (Glätte, Rauhigkeit) sein.
Holz ist auch aus ökologischer Sicht ein interessanter Konstruktionswerkstoff, da er biolo-gisch abbaubar und reproduzierbar ist.

Einsatz von Holz als Konstruktionswerkstoff

Holz ist heute noch immer, besonders im Bauingenieurwesen, wegen seiner Wärmedämmung und Festigkeit ein wichtiger Konstruktionswerkstoff. Im Schiffbau ist Holz als Werkstoff mit geringer Dichte (leichter als Wasser) verbreitet. Als leicht zu verarbeitender Werkstoff ist Holz in der Tischlerei verbreitet.

Organische Werkstoffe basieren auf organischen Stoffen. Organisches Material kann direkt oder indirekt (d.h., organisches Material geht in die Herstellung oder Verarbeitung mit ein) als Werkstoff zur Verwendung kommen. Gefördertes Rohöl ist z.B. ein organischer Werkstoff, erfüllt jedoch nicht die Eigenschaften eines Konstruktionswerkstoffs.
Die wichtigsten organischen Konstruktionswerkstoffe sind:

• Holz

• Kunststoff

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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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