{"id":2,"date":"2020-07-27T16:58:02","date_gmt":"2020-07-27T14:58:02","guid":{"rendered":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/werkstofftechnik2020\/?page_id=2"},"modified":"2020-10-16T17:44:16","modified_gmt":"2020-10-16T15:44:16","slug":"werkstoffeinteilung","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/werkstofftechnik2020\/werkstoffeinteilung\/","title":{"rendered":"01 Werkstoffeinteilung, Atomarer Aufbau von Werkstoffen"},"content":{"rendered":"

Zusammenfassung von Femke und Kevin<\/p>\n

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1 Werkstoffeinteilung<\/strong>
\nMaterialien, die anwendungsbezogenen Eigenschaften aufweisen, Umweltvertr\u00e4glich und zu verarbeiten sind, werden als Werkstoff bezeichnet. Werkstoffe lassen sich wie folgt unterteilen: Metalle<\/strong> (z.B. Stahl, Gusseisen u. Nichteisenmetale), Nichtmetalle<\/strong> (z.B. Halbleiter, Polymere u. anorganische nichtmetallische Werkstoffe), Naturstoffe<\/strong> (z.B. mineralische Naturstoffe u. organische Naturstoffe) und Verbundwerkstoffe<\/strong> (Ein Werkstoffhybrid, was aus mindestens 2 Werkstoffen besteht).<\/p>\n

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Bild 1-1: Werkstoffeinteilung nach Ashby<\/p>\n

Es wird unteranderem noch zwischen Struktur- bzw. Konstruktionswerkstoffen<\/strong> und Funktionswerkstoffen (Smart Materials)<\/strong> unterschieden. Konstruktionswerkstoffe weisen Eigenschaften auf wie Festigkeit, elastische Steifigkeit, Verschlei\u00dfbarkeit, Dichte, H\u00e4rte sowie Best\u00e4ndigkeit. Diese Eigenschaften sind wichtig, um gro\u00dfen mechanischen Belastungen standhalten zu k\u00f6nnen. Konstruktionswerkstoffe sind im Stahlbau weit verbreitet. Funktionswerkstoffe dagegen zeichnen sich durch spezielle physikalische Eigenschaften aus wie z.B. elektrische, magnetische, akustische. Zudem gibt es noch chemisch Biologische und sehr viele andere spezielle Eigenschaften, die die Makroskopischen Eigenschaften des Bauteils gezielt beeinflussen.<\/p>\n

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Bild 1-2: Beispiel: Formged\u00e4chtnislegierung f\u00fcr Funktionswerkstoffe<\/p>\n

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2 Atomarer Aufbau von Atomen<\/strong><\/p>\n

Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Die Protonen und die Neutronen bilden den Kern des Atoms, die Elektronen die H\u00fclle.<\/p>\n

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Bild 1-3: Bestandteile eines Atoms<\/p>\n

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Bild 1-4: Die Struktur der Elektronenh\u00fclle am Beispiel Wasserstoff<\/p>\n

Quantenzahlen beschreiben die Schwingungszust\u00e4nde eines Elektrons und beschreiben somit den Aufbau eines Atoms. Es wird unterschieden in Hauptquantenzahl n<\/strong> (Energieniveau, (Schalen) K,L,M,N,O), Nebenquantenzahl l<\/strong> (Art der Quantenzust\u00e4nde bzw. Gestalt der Orbitale (s,p,d,f)) , magnetische Quantenzahl ml<\/strong> (Anzahl der s-,p-,d-,f-Orbitale der jeweiligen Schale), Spinquantenzahl ms<\/strong> (Eigendrehung der Elektronen (Rechts- oder Linksdrehung). Ein Orbital ist ein Raum, in dem sich ein Elektron die meiste Zeit aufh\u00e4lt. Die Wahrscheinlichkeit liegt bei >95%. Jedes Orbital kann maximal zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin enthalten.<\/p>\n

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Bild 1-5: Formen der Orbitale<\/p>\n

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Bild 1-6: Periodensystem der Elemente<\/p>\n

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Drei Regeln f\u00fcr die Besetzung der Orbitale mit Elektronen:<\/b><\/p>\n

1) Pauli-Prinzip: Ein Atom darf keine Elektronen enthalten, die in allen vier Quantenzahlen \u00fcbereinstimmen.<\/p>\n

\u2192 max. zwei Elektronen je Orbital<\/p>\n

2) Hundsche Regel: Die Orbitale einer Unterschale werden so besetzt, dass die Anzahl der Elektronen mit gleicher Spinrichtung maximal wird.<\/p>\n

\u2192 zuerst einzelne Elektronen in den Orbitalen<\/p>\n

3) Im Grundzustand werden die wasserstoff\u00e4hnlichen Orbitale der Atome in der Reihenfolge wachsender Energie mit Elektronen aufgef\u00fcllt.<\/p>\n

\u2192 innere Orbitale werden zuerst besetzt<\/p>\n

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Bild 1-7: Orbitalbesetzung von Sauerstoff<\/p>\n

Die Valenzelektronen<\/strong> sind die Elektronen in der \u00e4u\u00dfersten Schale und f\u00fcr das chemische Verhalten verantwortlich. Hauptelemente haben s- und p-Valenzelektronen. Nebenelemente haben d-Valenzelektronen.<\/p>\n

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3 Die Chemische Bindung<\/strong>
\nEs gibt vier verschiedene chemische Bindungen. Diese sind Ionenbindungen, Atombindungen\/kovalente Bindungen, Metallische Bindungen und Van-der-Waals-Bindungen.<\/p>\n

Die Ionenbindung<\/strong>
\nIonenbindungen bilden sich zusammen aus ausgepr\u00e4gten metallischen Elementen und ausgepr\u00e4gt nicht metallischen Elementen. Die Atome bestreben durch Zunahme und Abgabe von Elektronen f\u00fcr ihre \u00e4u\u00dferste besetzte Schale die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Bei der Elektronenabgabe seitens der Elemente mit geringer Elektronegativit\u00e4t entstehen positiv geladene Kationen. Bei Elektronenaufnahme seitens der Elemente mit h\u00f6herer Elektronegativit\u00e4t und dadurch hoher Elektronenaffinit\u00e4t entstehen negativ geladene Anionen. Die Kationen und Anionen ziehen sich elektrostatisch an.<\/p>\n

Die Atombindung\/kovalente Bindung<\/strong>
\nAtombindungen\/kovalente Bindungen bilden sich aus nichtmetallischen Elementen. Der Zusammenhalt zwischen zwei Atomen erfolgt durch ein Elektronenpaar, das beiden Atomen gemeinsam geh\u00f6rt (\u00dcberlappung der Atomorbitale zu einem gemeinsamen Orbital). Wenn die bindenden Elektronen durch die unterschiedlichen Atome unterschiedlich stark angezogen werden, entstehen polare Bindungen.<\/p>\n

Die metallische Bindung<\/strong>
\nMetallische Bindungen bilden nur Metalle. Die Valenzelektronen der Metalle werden durch Delokalisierung (Elektronengas) geteilt. Mit Hilfe der Elektronengastheorie lassen sich viele Eigenschaften der Metalle erkl\u00e4ren.<\/p>\n

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Bild 1-8: Schematische Darstellung der metallischen Bindung<\/p>\n

Sind Atome in einem Kristallgitter angeordnet, spalten sich die atomaren Elektronenniveaus aufgrund der elektrostatischen Wechselwirkung der Elektronen der Atome auf. Es entstehen sogenannte Energieb\u00e4nder. Bei den Metallen \u00fcberlappt das von den Orbitalen der Valenzelektronen gebildete Valenzband immer mit dem n\u00e4chsth\u00f6heren Band.<\/p>\n

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Bild 1-9: Schematische Darstellung des B\u00e4ndermodells<\/p>\n

Die van-der-Waals-Bindung<\/strong><\/p>\n

Van-der-Waals-Kr\u00e4fte entstehen durch Anziehungen von Dipolen. Es werden 3 Arten von Dipolen unterschieden. Permanenter Dipol (z.B. Wasser), Permanenter induzierter Dipol und fluktuierender induzierter Dipol (z.B. Helium). Bei Polymeren hat die direkte Verkn\u00fcpfung der Elemente durch Atombindungen gro\u00dfen Einfluss auf deren Eigenschaften. Beispiel Nylon: Die positiv polarisierten Wasserstoff-Atome der Amid-Gruppen werden von den negativ polarisierten Sauerstoff-Atomen angezogen.<\/p>\n

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Bild 1-10: Van-der-Waals-Bindung am Beispiel Nylon<\/p>\n

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Bild 1-11: Zusammenfassung Werkstoffgruppen und Chemische Bindung<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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