Einführung naturwissenschaftliche Ingenieurgrundlagen an der Wilhelm Büchner Hochschule

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Werkstoffe, Hilfsstoffe, Rohstoffe

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Die Vielzahl der Werkstoffe kann man vier großen Gruppen zuordnen.

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Erklärung: Kollektivelektronen

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Metallgitter: Metallbindung

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Was bestimmt die metallischen Eigenschaften?

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Merksatz: Kristallite

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Möglichkeit, das Gefüge durch verschiedene Manipulationen zu beeinflussen

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Zählen Sie alle typischen Eigenschaften der Metalle auf.

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Nennen Sie die drei häufigsten Metallgittertypen und ordnen Sie ihnen Koordinationszahlen zu.

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Merksatz: Plastizität

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Merksatz: Realkristalle

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Zugfestigkeit Rm

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Einführung naturwissenschaftliche Ingenieurgrundlagen

Werkstoffe, Hilfsstoffe, Rohstoffe

Werkstoffe sind jener Teil der Materie, die der Mensch zur Herstellung von Gütern aller Art benutzt, um seine Bedürfnisse zu befriedigen. 

Neben den Werkstoffen benötigt man zur Güterherstellung Hilfsstoffe (z. B. Schmierstoffe). 

Die Basis für die Werk- und Hilfsstoffe sind die Rohstoffe (z. B. Kohle, Erdöl, Erze).

Einführung naturwissenschaftliche Ingenieurgrundlagen

Die Vielzahl der Werkstoffe kann man vier großen Gruppen zuordnen.

–die metallischen Werkstoffe (Metalle)
–die anorganisch nichtmetallischen Werkstoffe (anorganische Gläser und Keramik)
–die organischen hochpolymeren Werkstoffe (Kunststoffe, Elaste)
–die Verbundwerkstoffe

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Erklärung: Kollektivelektronen

Wichtig für die metallischen Eigenschaften ist besonders, dass alle Atomrümpfe im Metallgitter die gleiche Ladung besitzen (+) und die freien Elektronen (–) keinem bestimmten Atomrumpf zugeordnet und somit im Gitter verschiebbar sind (sie werden deshalb auch treffend als „Kollektivelektronen“ bezeichnet).

Einführung naturwissenschaftliche Ingenieurgrundlagen

Metallgitter: Metallbindung

Da die beschriebene Metallbindung keine bestimmte Richtung zeigt (die Kraftwirkungen sind über die Oberfläche verteilt), ordnen sich die Atomrümpfe in einer hochsymmetrischen Gitterstruktur an.

Einführung naturwissenschaftliche Ingenieurgrundlagen

Was bestimmt die metallischen Eigenschaften?

Die Art der Metallbindung und die Form des Metallgitters bestimmen zum Teil die metallischen Eigenschaften.

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Merksatz: Kristallite

Das Gefüge eines Metallkörpers besteht aus vielen einzelnen Kristallen (Kristalliten bzw. Körnern), die durch Korngrenzen getrennt sind.


Je feiner das Gefüge, je kleiner also die Kristallite, umso besser sind im Allgemeinen die mechanischen Eigenschaften.


Die Größe der Kristallite wird bestimmt durch ihre Wachstumsgeschwindigkeit und die Menge der Fremdteilchen in der Schmelze.

Einführung naturwissenschaftliche Ingenieurgrundlagen

Möglichkeit, das Gefüge durch verschiedene Manipulationen zu beeinflussen

(z. B. Variieren der Abkühlungsgeschwindigkeit aus der Schmelze heraus, Zusatz von Impfkristallen zur Schmelze),

Einführung naturwissenschaftliche Ingenieurgrundlagen

Zählen Sie alle typischen Eigenschaften der Metalle auf.

Festigkeit, Verformbarkeit, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Magnetisierbarkeit, Lichtundurchlässigkeit, metallischer Glanz, Reaktion mit Säuren unter Bildung von Salzen.

Einführung naturwissenschaftliche Ingenieurgrundlagen

Nennen Sie die drei häufigsten Metallgittertypen und ordnen Sie ihnen Koordinationszahlen zu.

Hexagonal dichteste Packung: 12
Kubisch flächenzentrierte (kubisch dichteste) Packung: 12
Kubisch raumzentrierte Packung: 8

Einführung naturwissenschaftliche Ingenieurgrundlagen

Merksatz: Plastizität

Zeigt ein Werkstoff in einem bestimmten Belastungsbereich eine bleibende Formänderung, besitzt er Plastizität.

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Merksatz: Realkristalle

Realkristalle besitzen Baufehler (Versetzungen, Leerstellen, Zwischengitteratome, Frenkel-Defekte und substituierte Fremdatome), die großen Einfluss auf die Eigenschaften eines Metalls haben, wobei sie Eigenschaften verbessern oder verschlechtern können.


Versetzungen erleichtern die plastische Verformbarkeit (sie können gezielt erzeugt werden), Zwischengitteratome wirken gegenteilig.

Einführung naturwissenschaftliche Ingenieurgrundlagen

Zugfestigkeit Rm

höchste Belastbarkeit auf Zug in N (Newton) pro mm2 Querschnitt, die der Werkstoff aushält

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