In diesem Kurstext erklären wir dir als angehenden Techniker was es mit den metallischen Werkstoffen, also Metalle, auf sich hat. Außerdem erfährst du wie diese nach unterschiedlichen Gesichtspunkten unterteilt werden können.
” Ein Metall kennzeichnet, dass seine Struktur auf Ebene der Atome geordnet ist.”
Metalle – Grundlagen
Die metallischen Werkstoffe kennzeichnet, dass ihre Struktur auf Ebene der Atome geordnet ist. Es bildet sich ein Muster aus, welches sich immer wiederholt und ein Metall genau kennzeichnet.
Die kleinste Einheit ist die Elementarzelle, die wiederum eine Unterscheidung in 16 verschiedene Gitterstrukturen zulässt. Die Gittertypen von Pearson werden dir in einem späteren Abschnitt des Kurses wieder begegnen.
Die Elektronen der Metalle sind nicht örtlich an ihre Atome gebunden und können sich ähnlich wie ein Gas in der Struktur bewegen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass der Techniker von einem Elektronengas spricht.
Das Elektronengas gehört zu dem Metallkristall und ist dafür verantwortlich, dass die meisten Metalle eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen.
Metalle Eigenschaften
Metalle kennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von Eigenschaften besitzen können. Damit du einen Überblick erhältst, mach es Sinn, dass du die wichtigsten von ihnen kennen lernst.
Eigenschaften von Metallen:
- Kristalliner Aufbau
- Die Struktur ist geordnet und wiederholt sich.
Elektrische Leitfähigkeit
Das Elektronengas erlaubt einen Transport von Ladungsträgern. Dabei hängt die elektrische Leitfähigkeit von der Temperatur des Werkstoffes ab.
Nach Ohm (Ohm‘sches Verhalten) nimmt bei Metallen die Leitfähigkeit anders als bei Nichtmetallen und Halbleitern mit zunehmender Temperatur ab.
Wärmeleitfähigkeit
Auch hier erlaubt das Elektronengas den Transport von Wärmeenergie. Diese kinetische Energie wird durch das Metallgitter transportiert. Der Transportmechanismus unterliegt dem Wiedemann-Franzsches-Gesetz. Falls du das Thema noch vertiefen willst, ist dieses das richtige Gesetz für dich.
Optische Eigenschaften
Lichtundurchlässigkeit/Lichtreflexion/metallischer Glanz – Aufgrund der hohen Reflektivität ist Metall selbst bei sehr dünnen Metallschichten undurchlässig für Licht. Dieses optische Verhalten findest du im metallischen Glanz wieder.
Die Ursache findet sich in der hohen Energiedichte und der Überlappung von Leitungs- und Valenzbändern wieder.
Auch die Lichtabsorption trägt zur Lichtundurchlässigkeit bei. Denn die angeregten Elektronen geben Photonen ab und kehren dann wieder in ihren Grundzustand zurück. Somit wird das Licht fast vollständig reflektiert.
Weitere wichtige Eigenschaften
Oxidation
Die Stufen der Oxidation sind positiv, denn sie bilden Ionenverbindungen aus und wirken als Kationen. Gleichzeitig stellt die Oxidation Techniker weltweit vor Herausforderungen, denn Oxidation führt auch zu einer Korrosion, die fast immer unerwünscht ist.
Festigkeit und Verformungsvermögen
Metallen sind, wenn man es einfach spricht, multifunktional. Sie haben eine hohe Festigkeit, sind dabei aber gleichzeitig duktil, also verformbar. Dem gegenüber stehen spröde Werkstoffe wie beispielsweise Grafit mit einer geringen Festigkeit.
Woran liegt das?
Hierzu müssen wir uns wieder den Aufbau des Metalls genau anschauen.
- Die Atomrümpfe der Metalle sind positiv geladen und befinden sich auf relativ festgelegten Positionen, die man in Summe als Metallgitter bezeichnet.
sowie
- Die Elektronen, auch Valenzelektronen genannt, sind hingegen negativ geladen und bewegen sich frei im Metallgitter umher.
sowie
- Aufgrund der unterschiedlichen Ladung (Polarität) ziehen sich die positiven und negativen Bestandteile an und verleihen dem Metall ihre Festigkeit.
sowie
- Der oben beschriebene Zustand sorgt auf dafür, dass sich Metalle gut verformen lassen. Denn die Atomrümpfe gleiten bei Belastungen aneinander vorbei, bleiben jedoch aufgrund der freien Elektronen weiterhin an einander gebunden.
Dadurch bleibt der Effekt der Abstoßung von gleichgeladenen Metallteilchen aus.
Kombinierbarkeit
Unterschiedliche Arten lassen sich gut miteinander in Verbindung bringen. Man spricht dann von einer Legierung. Der Vorteil von Legierungen besteht darin, dass die positiven Eigenschaften einzelner Metalle so in einer einzigen Legierung gebündelt werden können.
Aufgepasst:
Die Eigenschaften von Metallen beeinflussen sich gegenseitig. Die gute Wärmeleitfähigkeit birgt einen negativen Effekt in Bezug auf die Festigkeit und die Leitfähigkeit von elektrischer Energie.
Beide Eigenschaften nehmen mit zunehmender Wärme ab.
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