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Titel / Referat: Metallbindung und Legierung

Schlagwörter: Metallgitter, Metallionen, Leitfähigkeit, Wärme, Legierungen im speziellen Alltagsgebrauch Hausaufgabe, Referat

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1. Metallbindung und Legierung

Im Metallgitter können die Metallionen eines Metalls durch die Ionen eines anderen Metalls ersetzt werden oder kleinere Ionen können in die Hohlräume zwischen den ursprünglichen Metallionen eingelagert werden. Dadurch entsteht eine größere Festigkeit wobei die elektrische Leitfähigkeit aber nachlässt.

Metallbindung gehört zu den wichtigsten Mechanismen für den Zusammenhalt zwischen den Atomen. Wie der Name andeutet, herrscht diese Bindungsart in den metallischen Werkstoffen (reinen Metallen und Legierungen) vor. Metalle besitzen nur wenige Valenzelektronen, welche vom Atomkern entfernt sind. Diese Valenzelektronen werden abgegeben, aber nicht an ein benachbartes Atom wie bei der Ionenbindung, sondern an alle Atome an den ganzen Verband. Man spricht von Bildung eines Elektronengases, welches den Raum zwischen den verbleibenden Atomrümpfen ausfüllt. Die Atomrümpfe bestehen aus dem Atomkern und den übrigen Elektronen. Sie sind elektrisch positiv geladene Teilchen, aber keine echten Metallionen. Den Atomrümpfen fehlt ein wichtiges Merkmal der Ionen: die Beweglichkeit. Die Ionen wandern in einem elektrischen Feld, die Atomrümpfe nicht. Die abgegeben Valenzelektronen sind frei beweglich und gehören quasi allen Atomen an. Der Zusammenhalt erfolgt durch gegenseitige starke elektrostatische Anziehung zwischen dem Elektronengas und den Atomrümpfen. Bei der metallischen Bindung sind alle Atomrümpfe (Metallionen) völlig gleichwertig und lassen sich, ohne wesentliche Änderung der elektrostatischen Kräfte, verschieben. Somit hat die Metallbindung keine bevorzugte Richtung, d.h. eine gerichtete Wirkung der Bindekräfte liegt nicht vor. Dadurch erklärt sich die Neigung der Metalle, Raumgitter mit dichtester Kugelpackung zu bilden. Diese Metallgitter besitzen eine gewisse Elastizität und gute Gleiteigenschaften.


Metallgitter

[Die Grafik kann nicht dargestellt werden]

rot – Atomrümpfe (Metallionen)
blau – Valenzelektronen als Elektronengas

Mit Hilfe dieses einfachen Modells lassen sich die typischen Eigenschaften der Metalle gut erklären:


Eigenschaft und Ursache

Eigenschaft Ursache
Gute elektrische Leitfähigkeit Freie leicht bewegliche Elektronen
Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit mit steigender Temperatur Behinderung der Elektronenbewegung durch Wärmeschwingungen der Atomrümpfe
Gute Wärmeleitfähigkeit Transport der Wärme durch Elektronen
Gute Festigkeit Starke elektrostatische Anziehungskräfte
Gute plastische Verformbarkeit Gleitmöglichkeiten in dicht gepackten Metallgittern
Metallischer Glanz Reflektion der Photonen am Elektronengas

2. Legierung

Eine Legierung besteht aus mindestens zwei chemischen Elementen, von denen mindestens eines ein Metallelektrische LeitfähigkeitWärmeleitfähigkeitchemische Elemente ist. Eine Legierung weist metallische Eigenschaften auf, z.B. Metallglanz, und . Die Bestandteile einer Legierung sind die Komponenten. Diese können oder chemische Verbindungen sein. Je nach Anzahl der Komponenten in der Legierung spricht man von einer zwei-, drei-, vier- oder Mehrstofflegierung, wobei nur diejenigen Komponenten gezählt werden, die absichtlich zum Erzielen bestimmter Eigenschaften eingebracht werden.

Den Hauptbestandteil einer Legierung bezeichnet man als Grundmetall, die Nebenbestandteile als Zusätze. Der bedeutendste Vertreter der kohlenstoffhaltigen Legierungen ist Stahl. Einfacher Carbonstahl enthält beispielsweise etwa 0,5 Prozent Mangan und 0,8 Prozent Kohlenstoff.

Eine Legierung wird meist durch Mischen der Komponenten im schmelzflüssigen Zustand und anschließendem Abkühlen des Gemischs hergestellt. Es ist aber auch möglich, durch Vermischen von und anschließendem (Sintern ist ein für Formteile) Legierungen herzustellen, deren Komponenten sich im schmelzflüssigen Zustand nicht ineinander lösen würden (z.B. werden viele -Legierungen so hergestellt).

 

3. Eigenschaften von Legierungen

Eigenschaften wie Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit können bei Legierungen erheblich größer sein als bei irgendeinem einzelnen Metall. Beispielsweise ist gewöhnlicher Stahl (Mischung aus Eisen und Kohlenstoff) fester und härter als Schmiedeeisen (fast reines Eisen). Legierte Stähle, also Mischungen aus Stahl mit Metallen wie Chrom, Mangan, und Vanadium (z.B. Crom Vanadium Ratsche), sind fester, härter und meist auch korrosionsbeständiger als Eisen oder Stahl. Legierungen mit hohem Schmelzpunkt enthalten u.a. hitzebeständige Metalle wie Wolfram, Cobalt und Nickel. Diese verwendet man beispielsweise als Heizleiter. Im Gegensatz dazu nutzt man Schmelzlegierungen (niedriger Schmelzpunkt) für Heizbäder oder in Schmelzsicherungen. So genannte Federlegierungen besitzen elastische Eigenschaften.

4. Legierungen im speziellen Alltagsgebrauch

Turbinenstufen werden aus Hochtemperaturlegierungen hergestellt. Probenrand in das Probeninnere voran, der helle Bereich im Probeninneren ist noch nicht oxidiert.

Reine Metalle sind für viele Anwendungsgebiete mit thermischer und mechanischer Belastung ungeeignet. Aus diesem Grund verschmilzt man verschiedene ausgewählte Metalle miteinander. Die so entstandene Legierung vereint einige Eigenschaften der Legierungskomponenten, zeigt jedoch zum Teil auch vollkommen neue und erwünschte Charakteristika. Hochtemperaturlegierungen werden in weiten Bereichen des Alltages eingesetzt, beispielsweise in der chemischen Industrie, der Glasindustrie sowie in der Luft- und Raumfahrt. Hier finden zur Zeit überwiegend Legierungen auf Basis von Nickel, Eisen und Kobalt Anwendung. Das Streben nach einer Maximierung des Wirkungsgrades dieser Maschinen und Anlagen erfordert stetig steigende Prozesstemperaturen. Hiermit wachsen die Anforderungen an die Hochtemperaturfestigkeit der verwendeten Werkstoffe.

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