In der Fertigung und im Design ist die Wahl des richtigen Materials entscheidend – es beeinflusst direkt die Leistung und Haltbarkeit eines Produkts. Metallwerkstoffe bieten insbesondere eine breite Palette an Eigenschaften und finden Anwendung in allem von Industrieprodukten und Gebäuden bis hin zu mechanischen Komponenten.

Dieser Artikel bietet einen klaren Überblick darüber, was metallische Werkstoffe sind, welche Arten von Eisen- und Nichteisenmetallen es gibt, ihre wichtigsten Eigenschaften (Festigkeit, Härte, Zähigkeit, spezifisches Gewicht) sowie grundlegende Verarbeitungsmethoden und Punkte, die bei der Materialauswahl zu beachten sind. Er richtet sich an Ingenieure und Designer, die ein solides, strukturiertes Verständnis metallischer Werkstoffe erlangen möchten.

Was sind Metallwerkstoffe?

Metallische Werkstoffe sind Materialien, deren Hauptbestandteile metallische Elemente sind. Sie werden grob unterteilt in Eisen- und Nichteisenmetalle und finden breite Anwendung in Alltagsprodukten und industriellen Anlagen. Metalle zeichnen sich durch ihren Glanz, hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie hervorragende Verarbeitbarkeit wie Duktilität und Formbarkeit aus. Durch Legierung mit anderen Elementen lassen sich ihre Eigenschaften weiter steigern und diversifizieren.

Eisenhaltige Metalle

Eisenmetalle sind Legierungen auf Basis von Eisen (Fe) mit kontrolliertem Kohlenstoffgehalt. Ihre Härte und Festigkeit variieren mit dem Kohlenstoffgehalt. Zu den wichtigsten Kategorien gehören:

• Kohlenstoffstähle (SS-, SC-Grade) verwendet in Bauwerken und Automobilteilen
• Edelstähle (SUS-Grade) bekannt für hohe Korrosionsbeständigkeit
• Legierungsstähle (SKH-, SKD-Grade) verwendet für Schneidwerkzeuge und Formen
• Gusseisen, geschätzt für seine hervorragende Gießbarkeit

Eisenmetalle bieten eine ausgewogene Kombination aus Festigkeit und Verarbeitbarkeit und sind daher branchenübergreifend weit verbreitet.

Nichteisenmetalle

Nichteisenmetalle sind Metalle und Legierungen, die keinen Eisen als Hauptbestandteil enthalten. Obwohl sie in der Regel teurer sind, bieten viele von ihnen Vorteile wie geringes Gewicht, hervorragende Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und nichtmagnetische Eigenschaften.
Häufige Beispiele sind:

• Aluminium – leicht, eingesetzt in Flugzeugen und Automobilen
• Kupfer – hochgradig leitfähig
• Titan – stark und korrosionsbeständig
• Gold und Silber – weit verbreitet in Elektronik und dekorativen Gegenständen
• Messing und Bronze – beliebte Legierungswerkstoffe

Diese Materialien spielen wichtige Rollen in spezialisierten Anwendungen.

Wichtige Eigenschaften von Metallwerkstoffen

Die Eigenschaften metallischer Werkstoffe bestimmen, wie sie sich in der mechanischen Konstruktion und Verarbeitung verhalten und beeinflussen die Eignung für unterschiedliche Anwendungen. Jedes Metall hat seine eigenen Charakteristiken, und eine Verbesserung einer Eigenschaft führt oft zu Kompromissen bei anderen. Das Verständnis dieser Zusammenhänge ist entscheidend für die Auswahl des richtigen Materials.

Die vier wichtigsten Eigenschaften, die üblicherweise zur Beschreibung des Verhaltens von Metallen verwendet werden, sind Festigkeit, Härte, Zähigkeit und spezifisches Gewicht.

Festigkeit

Festigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, externen Kräften standzuhalten. Sie wird oft als “Haltbarkeit” beschrieben und wird typischerweise bewertet durch Zugfestigkeit, die maximale Belastung, die ein Material ohne Bruch aushalten kann.

Obwohl Materialien verschiedenen Arten von Kräften ausgesetzt sind – Druck, Scherung, Biegung – lassen sich diese auf mikroskopischer Ebene auf Zugkräfte zurückführen. Aus diesem Grund gilt die Zugfestigkeit als Schlüsselindikator für die gesamte “Festigkeit” eines Materials.”

Für Bauteile, die erhebliche Lasten erfahren, sollten hochfeste Materialien ausgewählt werden.

Härte

Härte beschreibt die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen lokale Verformungen oder Oberflächenschäden wie Kratzer oder Eindrücke. Während Festigkeit es einem Material ermöglicht, Verformungen zu überstehen, spiegelt die Härte dessen Fähigkeit wider, Verformungen ganz zu verhindern.

Die Härte ist eng mit Verschleißfestigkeit, und lässt sich durch Wärmebehandlungen wie Abschrecken verbessern. Höhere Härte bedeutet jedoch oft schwierigere Bearbeitung. Für Teile, die wiederholter Reibung ausgesetzt sind – etwa Zahnräder und Lager – werden hochharte Materialien empfohlen.

Zähigkeit

Zähigkeit bezeichnet die Fähigkeit eines Materials, Energie zu absorbieren und Brüchen zu widerstehen – seine “Widerstandsfähigkeit”. Im Gegensatz zu spröden Materialien wie Keramik verformen sich zähe Metalle, anstatt plötzlich zu brechen, wenn sie einer Kraft ausgesetzt werden.

Die Zähigkeit misst, wie viel Energie ein Material absorbieren kann, bevor es über seine maximale Belastung hinaus vollständig bricht. Materialien mit hoher Zähigkeit sind ideal für Umgebungen mit Stoßbelastungen oder schwankenden Lasten.

Spezifisches Gewicht

Das spezifische Gewicht ist das Verhältnis der Dichte eines Materials zur Dichte von Wasser und dient als intuitive Maßzahl für das Gewicht. Materialien mit hohem spezifischem Gewicht sind schwerer; solche mit niedrigem spezifischem Gewicht sind leichter.

Obwohl Dichte der formelle Begriff ist, der in Standards wie JIS verwendet wird, wird in Design- und Ingenieurumgebungen häufiger die spezifische Schwerkraft bevorzugt, da sie leichter zu verstehen ist, wenn es darum geht, das Materialgewicht abzuschätzen.

Wie sich Metalleigenschaften gegenseitig beeinflussen

Metalleigenschaften zeigen mehrere allgemeine Tendenzen:

• Höhere Festigkeit geht oft mit höherem Gewicht einher.
  Wirklich starke und leichte Metalle sind relativ selten.
• Größere Härte verringert in der Regel die Zähigkeit.
  Zum Beispiel widerstehen Keramiken Eindrückungen, brechen aber leicht unter Stoßbelastung.
• Höhere Härte erhöht in der Regel die Festigkeit.
• Mit zunehmender Festigkeit oder Härte werden Materialien immer schwieriger zu bearbeiten.
  Genauso wie gefrorenes Fleisch schwerer zu schneiden ist als eine Banane, sind starke und harte Materialien schwieriger zu bearbeiten oder zu formen.

Da die Verbesserung einer Eigenschaft oft Auswirkungen auf andere hat, erfordert die Auswahl von Werkstoffen, diese Eigenschaften entsprechend den konstruktiven Anforderungen auszubalancieren.