Ingenieurwerkstoffe: Allgemeine, physikalische und mechanische Eigenschaften

Allgemeine Eigenschaften von Ingenieurwerkstoffen

Ökonomen in der werkstoffproduzierenden Industrie interessieren sich für den wirtschaftlich optimalen Werkstoffeinsatz. Sie benötigen Arbeitskenntnisse zu Eigenschaften und Herstellungsprozessen, um Materialauswahl unter spezifischen Bedingungen oder Fertigungsentscheidungen aus lokalen Rohstoffen zu unterstützen.

Das Anwendungsspektrum eines Werkstoffs wird durch seine Eigenschaften bestimmt. Diese lassen sich kategorisieren:

1. Chemische Eigenschaften

Neigung zur Reaktion mit anderen Stoffen, Reaktivität, Löslichkeit, Korrosion, chemische Zusammensetzung, Säure-/Basenverhalten. Korrosion ist ein Hauptproblem bei Metallen: Wertigkeitselektronen sind lose gebunden, reagieren mit O₂, Cl₂ etc. → Eisenoxid (Rost).

2. Elektrische Eigenschaften

Leitfähigkeit, Durchschlagfestigkeit, spezifischer Widerstand.

3. Magnetische Eigenschaften

Permeabilität, Hysterese, Koerzitivfeldstärke – relevant für Generatoren, Transformatoren.

4. Mechanische Eigenschaften

Verhalten unter äußeren Kräften: Elastizität, Härte, Plastizität, Festigkeit etc.

5. Optische Eigenschaften

Farbe, Lichtdurchlässigkeit, Brechungsindex, Reflexion – für optische Anwendungen. Licht-Wechselwirkung mit Atomen: Reflexion, Brechung, Streuung, Absorption. Optik = Lehre davon.

6. Physikalische Eigenschaften

Zustandsbewertung ohne äußere Kraft: Schüttdichte, Dauerhaftigkeit, Porosität etc.

7. Thermische Eigenschaften

Spezifische Wärme, thermische Ausdehnung, Wärmeleitfähigkeit – Reaktion auf Temperaturänderungen, Auswahl für schwankende/hohe Temperaturen.

8. Technologische Eigenschaften

Verarbeitbarkeit und Anwendbarkeit: Gießbarkeit, Zerspanbarkeit, Schweißbarkeit, Umformbarkeit.

Für Bauingenieure sind besonders physikalische und mechanische Eigenschaften relevant.

Physikalische Eigenschaften im Detail

Definitionen und Erklärungen:

1. Schüttdichte (Bulk Density): Masse pro Volumeneinheit im natürlichen Zustand (mit Poren/Hohlräumen). Verhältnis Probenmasse zu Probenvolumen (natürlich). Beeinflusst Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit etc. stark → Leistungseffizienz hängt davon ab. Meist < Dichte, außer bei dichten Stoffen, Flüssigkeiten, Schmelzprodukten. (Tabelle 1-1: Schüttdichten wichtiger Baustoffe)
2. Chemische Beständigkeit: Widerstand gegen Säuren, Laugen, Gase, Salzlösungen. Wichtig für Rohre, hydraulische Bauwerke, Sanitäranlagen.
3. Erweichungskoeffizient: Verhältnis Druckfestigkeit wassergesättigt zu trocken. Glas/Metall = 1 (unbeeinflusst). Ton = 0 (Verlust). ≥ 0,8 = wasserbeständig. < 0,8 bei dauerhafter Feuchte vermeiden.
4. Dichte (Density): Masse pro Volumeneinheit homogenen Materials. Verhältnis Masse zu Volumen (homogen). Beeinflusst physikalische Eigenschaften stark.
5. Dichteindex: Schüttdichte / Dichte → Füllgrad des Volumens mit Feststoff. Praktisch keine dichten Stoffe in der Natur → Index < 1.
6. Dauerhaftigkeit (Durability): Widerstand gegen kombinierte atmosphärische/andere Einflüsse. Bestimmt Laufende/Instandhaltungskosten.
7. Feuerwiderstand: Fähigkeit, hohe Temperaturen ohne Tragfähigkeitsverlust (Festigkeitsverlust/Verformung) zu widerstehen. Prüfung kombiniert Hitze + Wasser (Löschwasser). Muss Sicherheit/Stabilität im Brandfall gewährleisten.
8. Frostwiderstand: Wassergetränktes Material widersteht wiederholten Gefrier-Tau-Zyklen ohne nennenswerten Festigkeitsverlust/sichtbare Schäden. Hängt von Dichte und Sättigungsgrad ab. Dichte Materialien = frostbeständig. Poröse mit < 90 % wassergefüllten Poren = frostbeständig.
9. Hygroskopizität: Fähigkeit, Wasserdampf aus Luft aufzunehmen. Abhängig von Stoffart, Porenzahl, Lufttemperatur, relativer Feuchte. Hydrophile Stoffe lösen sich leicht in Wasser.
10. Porosität: Porenvolumen / Probenvolumen. Zeigt auf Festigkeit, Schüttdichte, Wasseraufnahme, Wärmeleitfähigkeit, Dauerhaftigkeit hin → sorgfältig analysieren.
11. Feuerfestigkeit (Refractoriness): Widerstand gegen lang anhaltende Hitze ohne Schmelzen/Formverlust.
12. Temperaturwechselbeständigkeit (Spalling Resistance): Widerstand gegen Zyklen scharfer Temperaturwechsel ohne Versagen. Hängt von linearen Ausdehnungskoeffizienten der Bestandteile ab.
13. Spezifische Wärme: Wärmemenge (kcal) zum Erhitzen von 1 N Material um 1 °C. Relevant bei Wärmespeicherung. Werte: Stahl 0,046×10³, Stein 0,075–0,09×10³, Holz 0,239–0,27×10³ J/N·°C.
14. Wärmekapazität: Fähigkeit, Wärme aufzunehmen. T = H / [M·(T₂–T₁)] (T in J/N·°C, H in J, M in N, T₁/T₂ in °C).
15. Wärmeleitfähigkeit: Wärmemenge (kcal) durch Flächeneinheit bei Dickeneinheit in Zeiteinheit bei Temperaturdifferenz 1. Einheit: J/(m·h·°C), Symbol K. Abhängig von Dichte, Porosität, Feuchte, Temperatur. Wärmewiderstand = 1/K. Thermischer Widerstand = Wärmewiderstand × Dicke.
16. Wasseraufnahme: Fähigkeit, Wasser aufzunehmen/zu speichern. Trockenes Material in Wasser, Ergebnis als Gewichts-% oder Volumen-% des trockenen Materials. Hängt von Porenvolumen, -größe, -form ab.
17. Wasserdurchlässigkeit: Fähigkeit, Wasser unter Druck durchzulassen. Wassermenge pro Stunde bei konstantem Druck, Querschnitt 1 cm². Dichte Materialien (Glas, Stahl) = wasserundurchlässig.
18. Witterungsbeständigkeit: Widerstand gegen wechselnde Feuchte/Trockenheit ohne Form-/Festigkeitsverlust. Verhalten bei wechselnder Luftfeuchte.

Mechanische Eigenschaften im Detail

Steifigkeit, Duktilität, Festigkeit entscheiden über Fertigbarkeit und praktische Anwendung. Baustoffe decken breites Spektrum ab: Diamanthärte bis Kupfers Duktilität, Gummi-Elastizität. Unterschiedliches Verhalten je nach Belastungsart: Gusseisen, Zement, Ziegel → druckfest; Holz, Stahl → zugfest.

1. Abrasion (Abriebfestigkeit): Gewichtsverlust vor/nach Abrasion geteilt durch Abrasionsfläche.
2. Kriechen (Creep): Zeitabhängige Verformung unter konstantem Last über lange Perioden. Kann zum Bruch ohne Laststeigerung führen. Die meisten Baustoffe kriechen bei allen Temperaturen etwas. Stahl, Al, Cu bei Raumtemperatur sehr wenig. Hohe Temperaturen → schnelles Kriechen mit Gefügeänderungen. Wichtig: Polymere bei RT, Al-Legierungen ~100 °C, Stähle >300 °C.
3. Elastizität: Fähigkeit, nach Lastentfernung ursprüngliche Form/Abmessungen wiederherzustellen. Elastische Verformung: Verschwindet vollständig beim Entlasten, folgt Hookeschem Gesetz, ideal bei kleinen Kräften innerhalb Elastizitätsgrenze. Plastische Verformung: Formänderung bleibt ganz/teilweise erhalten. Tritt über Elastizitätsgrenze auf, Rate gesteuert von Dehnrate, Spannung, Temperatur. Zug, Druck, Torsion möglich. Gezielt bei Walzen, Schmieden genutzt.
4. Ermüdung (Fatigue): Versagen bei wechselnder/zyklischer Spannung weit unter statischer Bruchspannung. Drei Merkmale: erhöhte Unsicherheit bei Festigkeit/Lebensdauer, Duktilitätsverlust, Festigkeitsverlust. Ursachen: korrosive Umgebungen, Spannungskonzentrationen, Oberflächenfehler (Bearbeitungsspuren), Temperatur (Ermüdungsfestigkeit hoch bei tiefen Temperaturen, sinkt mit steigender Temperatur).
5. Härte: Widerstand gegen Eindringen eines härteren Körpers. Wichtig für Böden, Fahrbahnen. Keine fundamentale Eigenschaft, sondern Kombination aus Druck-, Elastizitäts-, Plastizitätseigenschaften relativ zu Eindringmodus, Eindringkörperform. Korreliert recht konstant mit Zugfestigkeit → praktischer zerstörungsfreier Indikator für Zugfestigkeit und Randschichtzustand. Steinhärte nach Mohs-Skala (10 Referenzminerale, aufsteigend). Härte liegt zwischen kratzendem und gekratztem Mineral. (Tabelle 1-2: Mohs-Skala)
6. Schlagzähigkeit (Impact Strength): Arbeitsmenge zum Bruch pro Volumeneinheit. Zeigt Zähigkeit. Prüfung im Schlagbiegeversuch. Komplexe Kenngröße (Zähigkeit + Festigkeit). Beeinflusst von: Probenabmessungen (größer → höher), Kerbschärfe (schärfer → niedriger), Kerbwinkel (Verbesserung ab bestimmten Werten), Schlaggeschwindigkeit, Probentemperatur (Hinweis auf Bruchart: duktil, spröde, Übergang).
7. Plastizität und Sprödigkeit: Plastizität = Formänderung unter Last ohne Rissbildung, Beibehaltung nach Entlastung. Spröde Werkstoffe versagen plötzlich ohne nennenswerte Vorverformung. Gesteine, Keramik, Glas, Gusseisen, Beton = spröde, schlechte Biege-/Schlag-/Zugfestigkeit. Stahl, Kupfer, heißes Bitumen = plastisch.
8. Festigkeit (Strength): Widerstand gegen Versagen unter spannungserzeugenden Lasten. Belastungen: Druck, Zug, Biegung. Festigkeit = Grenzlast / Querschnittsfläche. Zulässige Spannungen < Grenzfestigkeit → Sicherheitsfaktor = Grenzspannung / zulässige Spannung. Bsp. Sicherheitsfaktor 2 → Entwurfsspannung = ½ Grenzspannung. Sicherheitswerte in Normen festgelegt (Art der Arbeit, Materialqualität, Betriebsbedingungen, Wirtschaftlichkeit).
9. Verschleiß (Wear): Versagen unter kombinierter Abrasion und Schlag. Verschleißwiderstand als Gewichtsverlust-% – wichtig für Fahrbahnen, Schotter etc.