Wie werden Werkstoffe eingeteilt und was macht Metalle so besonders? Das erfährst du hier und im Video!
Inhaltsübersicht
Was sind Werkstoffe?
In der Technik brauchst du für jedes Bauteil das richtige Material. Ein Zahnrad muss hart und fest sein. Eine Karosserie muss hingegen leicht sein und sich formen lassen. Und ein Kabel muss Strom leiten. Das Material, das du für ein technisches Produkt verwendest, nennst du Werkstoff.
Da jeder Einsatzbereich andere Anforderungen an einen Werkstoff stellt, gibt es nicht den einen perfekten Werkstoff, sondern eine große Vielfalt für jeden Zweck. Dabei kommt es immer auf die Eigenschaften an. Denn je nach Einsatzbereich brauchst du andere Eigenschaften deines Werkstoffes.
Unterteilung der Werkstoffe
Werkstoffe lassen sich in metallische und nicht-metallische Werkstoffe unterteilen. Zu den metallischen gehören Eisenwerkstoffe und Nichteisenmetalle. Zu den nicht-metallischen gehören Kunststoffe und Keramik. Eine besondere Rolle spielen Verbundwerkstoffe, die aus metallischen und/oder nicht-metallischen Werkstoffen bestehen können.
Insgesamt ergeben sich so fünf Gruppen, jede mit typischen Eigenschaften, die sie von den anderen unterscheiden.
- Die erste Gruppe sind die Eisenwerkstoffe. Das sind zum Beispiel Stahl und Gusseisen. Sie bestehen hauptsächlich aus Eisen und sind besonders fest und zäh. Deshalb findest du sie überall im Maschinenbau.
- Die zweite Gruppe sind die Nichteisenmetalle, auch NE-Metalle genannt. Dazu gehören zum Beispiel Aluminium, Kupfer und Titan. Sie enthalten kein Eisen oder nur sehr wenig davon.
- Die dritte Gruppe sind die Kunststoffe, auch Polymere genannt. Sie sind leicht und lassen sich gut formen. Viele Alltagsprodukte bestehen aus Kunststoff.
- Die vierte Gruppe ist die Keramik. Keramische Werkstoffe sind hingegen sehr hart und hitzebeständig. Jedoch sind sie auch spröde, also brechen sie leicht unter Schlagbelastung.
- Die fünfte Gruppe sind schließlich die Verbundwerkstoffe. Sie bestehen aus mindestens zwei verschiedenen Werkstoffen. Das Ziel dabei ist, die Vorteile beider Materialien zu kombinieren. Ein bekanntes Beispiel ist carbonfaserverstärkter Kunststoff, kurz CFK.
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Metalle und ihre Eigenschaften
Metalle sind eine der wichtigsten Werkstoffgruppen in der Technik. Du begegnest ihnen täglich, zum Beispiel in Form eines Zahnrads, einer Schraube oder Karosserie. Was sie so besonders macht, ist ihr innerer Aufbau. Schauen wir uns den genauer an.
In einem Metall sind die Atome regelmäßig angeordnet. Du nennst das ein Kristallgitter. Zwischen den Atomen bewegen sich sogenannte freie Elektronen. Diese Elektronen sind nicht fest an ein Atom gebunden, sondern wandern frei durch das Gitter. Genau dieser Aufbau erklärt die typischen Eigenschaften von Metallen.
- Elektrische Leitfähigkeit: Die freien Elektronen leiten elektrischen Strom. Deshalb verwendest du Kupfer für Kabel und Leitungen.
- Wärmeleitfähigkeit: Die freien Elektronen transportieren auch Wärme. Deshalb wird ein Metalltopf schnell heiß.
- Verformbarkeit: Das Kristallgitter kann sich unter Druck verschieben, ohne zu brechen. Deshalb lässt sich Metall biegen, ziehen oder schmieden. Du nennst diese Eigenschaft auch Duktilität.
- Festigkeit: Metalle halten hohe Kräfte aus, bevor sie sich verformen oder brechen. Das macht sie ideal für tragende Bauteile.
- Korrosionsanfälligkeit: Viele Metalle reagieren mit Sauerstoff oder Feuchtigkeit. Dabei entsteht Rost oder eine Oxidschicht. Aluminium zum Beispiel bildet eine dünne Oxidschicht, die es vor weiterer Korrosion schützt.
Metalllegierungen
Ein reines Metall hat oft nicht alle Eigenschaften, die du für ein Bauteil brauchst. Reines Eisen zum Beispiel ist zwar fest, aber auch sehr spröde. Deshalb mischst du in der Technik verschiedene Metalle gezielt miteinander. Das Ergebnis ist dann eine Legierung.
Eine Legierung entsteht, wenn du zwei oder mehr Metalle zusammenschmilzt. Manchmal kommen auch Nichtmetalle hinzu. Die Mischung verändert die Eigenschaften des Ausgangsmaterials.
Das bekannteste Beispiel ist Stahl. Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Durch den Kohlenstoff wird das Eisen deutlich fester und härter. Je nach Kohlenstoffanteil entstehen dabei unterschiedliche Stahlsorten.
Ein weiteres Beispiel ist Aluminium. Reines Aluminium ist zwar leicht, aber auch weich. Deshalb wird es mit Magnesium oder Silizium legiert. Dadurch wird es fester, ohne viel schwerer zu werden. Diese Aluminiumlegierungen findest du zum Beispiel im Flugzeugbau.
Auch Kupfer wird legiert. Die bekannteste Kupferlegierung ist Messing. Sie besteht aus Kupfer und Zink. Messing ist härter als reines Kupfer und lässt sich gut zerspanen, also gut drehen oder fräsen.
Legierungen sind also kein Zufall. Du wählst die Zusammensetzung gezielt, um genau die Eigenschaften zu erreichen, die du für dein Bauteil brauchst.
Werkstoffkunde verstehen
Auf den Grundlagen der Werkstoffgruppen baut das Thema Verbundwerkstoffe direkt auf, denn Verbundwerkstoffe kombinieren gezielt die Vorteile von Metallen, Kunststoffen und Keramik. Du verstehst dann, warum carbonfaserverstärkter Kunststoff gleichzeitig leicht und fest ist, obwohl keines der Ausgangsmaterialien allein diese Kombination bietet.
Begriffe wie Kristallgitter, Duktilität und Legierung sind dabei die Grundlage, auf der die gesamte Werkstofftechnik aufbaut. Weitere Themen aus deiner technischen Ausbildung findest du in unserem Bereich Industrie und Mechanik.
