91 Arten von Metallen und ihre technischen Anwendungen

Metalle sind das Rückgrat der Technik und werden für die Herstellung der Struktur von Wolkenkratzern bis hin zu hochmodernen Maschinen verwendet. Im Maschinenbau sind Metalle aufgrund ihrer Bedeutung für Haltbarkeit, Innovation, hohen Schmelzpunkt, hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und Effizienz in verschiedenen Branchen von großer Bedeutung. Im Maschinenbau werden Metalle aufgrund ihrer bemerkenswerten Eigenschaften für den Bau von Strukturbauteilen, Maschinen und Werkzeugen verwendet und eignen sich daher für technische Werkstoffanwendungen. In diesem Artikel erhalten Sie eine detaillierte Analyse der Eigenschaften von Metallen, der Reaktionen von Metallen, der Metallherstellung, der Bindung, an der sie beteiligt sind, und der Verwendung von Metallen in verschiedenen technischen Anwendungen.

Grundlegende Konzepte von Metallen

Metalle kommen natürlicherweise in organischen Bestandteilen vor. Die Metallherstellung erfolgt durch Gewinnung von Rohstoffen (Erzen), die auf der Erath-Oberfläche vorkommen. Metalle sind vor allem für ihre Eigenschaften wie hohe Schmelzpunkte, Haltbarkeit, Glanz und ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bekannt. Metalle sind gute Wärme- und Stromleiter.

Metalle definieren: Von der Atomstruktur bis zur praktischen Verwendung

Alle Arten von Metallen bestehen aus Atomen. Atome sind die kleinsten Strukturen, die durch metallische Bindungen, auch Delokalisierungsbindungen genannt, stark zusammengehalten werden. Das Atom mit der einfachsten Struktur ist der Baustein für alle Arten von Metallen. Das praktische Verständnis der atomaren Struktur verschiedener Arten von Metallen wird Ihnen helfen, die Materialtechnik und die Reaktivität von Metallen zu verstehen.

Abbildung, die die Struktur des Atoms zeigt.

Atomstruktur und Elektronenwolkenmodell

Atome bestehen aus dem Kern in der Mitte, der Protonen (positiv geladen) und Neutronen enthält. Dieser Kern ist von der Elektronenwolke umgeben. Während das Elektronenwolkensystem aufgrund des Unsicherheitsprinzips die Wahrscheinlichkeitszone für die Elektronenposition um den Kern herum beschreibt. Um das Verhalten verschiedener Metallarten in Bezug auf Bindung, Eigenschaften und Reaktivität in unterschiedlichen Umgebungen zu verstehen, ist es wichtig, das Elektronenwolkenmodell zu verstehen.

Abbildung, die den Unterschied zwischen dem Bohr-Atommodell und dem Elektronenwolkenmodell veranschaulicht.

YouTube-Video zur Erläuterung des Elektronenwolkenmodells.
https://www.youtube.com/watch?v=FMlZq9NG_lo&pp=ygUjYmhvciBhdG9taWMgbW9kZWwgdnMgZWxlY3Ryb24gY2xvdWQ%3D

Metalle im Periodensystem

Was ist ein Metall im Periodensystem?

Ein erheblicher Teil des Periodensystems wird von Edelmetallen eingenommen. Metalle befinden sich typischerweise auf der linken Seite und in der Mitte des Periodensystems. Wasserstoff ist nicht als Metall enthalten. Metalle neigen dazu, Elektronen zu verlieren, wodurch sie zu selbstpositiv geladenen Ionen werden, die metallische Bindungen eingehen. Insgesamt gibt es im Periodensystem fast 91 Metalle.

Periodensystem, das die Position von Metallen, Metalloiden und Nichtmetallen im Periodensystem zeigt.

YouTube-Video, das den Unterschied zwischen Metallen, Metalloiden und Nichtmetallen erklärt.

https://www.youtube.com/watch?v=dpyfCuXVSkg&pp=ygUfbWV0YWxzIG5vbm1ldGFscyBhbmQgbWV0YWxsb2lkcw%3D%3D

Grundlegende Eigenschaften und Arten von Metallen

1. Physikalische Eigenschaften: Schmelzpunkt und elektrische Leitfähigkeit

Metalle haben einen hohen Schmelzpunkt und sind gute elektrische Leiter.

Tabelle mit Schmelzpunkt und elektrischer Leitfähigkeit von Metallen.

Chemische Eigenschaften: Reaktion mit Sauerstoff und Korrosionsbeständigkeit

1. Reaktion mit Sauerstoff:

Rohstoffe aus Metallen werden zu reinen Metallen reduziert. Normalerweise besteht die Metallurgie darin, dass sie sehr schnell mit Sauerstoff reagieren, da alle Arten von Metallen versuchen, ihre Ausgangsform in Form von Oxiden zurückzugewinnen. Diese Reaktion aller Arten von Metallen mit Sauerstoff wird als Oxidation bezeichnet. Der Prozess der Sauerstoffreaktion wird als Oxidation bezeichnet.

Zum Beispiel

• Die Bildung von Eisenoxid erfolgt, wenn Eisen mit Sauerstoff reagiert. Unten ist die Reaktion von Sauerstoff mit Eisen 4Fe+3O2​→2Fe2​O3​

Abbildung zeigt Eisenrostphänomene.

• Aluminiumoxid entsteht, wenn Aluminium (Al) mit Sauerstoff 4Al+3O2​→2Al2​O3​ reagiert

• Kupferoxid entsteht, wenn Kupfer (Cu) mit Sauerstoff 4Cu+O2​→2Cu2​O reagiert

YouTube-Video, das den Prozess des Rostens von Eisen und dessen Vorbeugung erklärt.
https://www.youtube.com/watch?v=jQoE_9x37mQ&pp=ygUMaXJvbiBydXN0aW5n

2. Korrosionsbeständigkeit:

Unter Korrosionsbeständigkeit versteht man die Fähigkeit von Edelmetallen, einer Verschlechterung durch chemische Reaktionen in verschiedenen Umgebungen standzuhalten. Es gibt einige Metalle, die aufgrund der Bildung einer Oxid-Passivierungsschicht eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Normalerweise haben Metalle mit einem hohen elektronegativen Wert auf der Pauling-Skala eine stabilere Oxidschicht, die ihre Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu Metallen mit niedrigem elektronegativem Wert verbessert. Beispielsweise hat das Edelmetall Gold einen höheren elektronegativen Wert auf der Pauling-Skala und daher im Vergleich zu Fe und Zn einen besseren elektronegativen Wert.

Tabelle mit der Elektronegativität einiger Metalle auf der Pauling-Skala.

Gemäß dem Prinzip der Metallurgie fungiert, wenn zwei Metalle eine galvanische Zelle bilden, das Metall mit hohem Potential als Anode in einer Zelle und korrodiert daher, während das andere Metall eine Schutzfunktion übernimmt.

Abbildung zeigt eine galvanische Zelle zwischen einer Aluminium- und einer Kupferlegierungsschraube.

Abbildung zeigt typische galvanische Reihen.

YouTube-Video zur Erläuterung der Galvanischen Serie und der Galvanischen Zelle.

 https://www.youtube.com/watch?v=V3TeYfUNbGY&pp=ygUXZ2x2YW5pYyBzZXJpZXMgYW5kIGNlbGw%3D

Alle Arten von Metall im Ingenieurwesen

Eisenmetalle: Eisen- und Stahlvarianten

1. Eisen: Vom Roheisen zum Schmiedeeisen

Roheisen ist der Rohrohstoff, der direkt aus dem Hochofen entnommen wird. Schmiedeeisen hingegen ist die veredelte Form von Eisen. Schmiedeeisen hat typischerweise einen geringeren Kohlenstoffgehalt von 0.08 %.

Tabelle mit Eisenmetall Eisen.

2. Stahl: Kohlenstoffstahl, legierter Stahl und Edelstahl

Nichteisenmetalle: Kupfer, Aluminium und mehr

1. Kupfer: Eigenschaften und Kupferlegierungen

Das Edelmetall Kupfer trägt das chemische Symbol Cu und hat die Ordnungszahl 29. Chalkopyrit (CuFeS2) und Malachit (Cu2CO3(OH)2) sind die Rohstoffe für die Kupfermetallherstellung. Kupfer hat eine rötlich-orange Farbe mit hohem Schmelzpunkt, Duktilität und Formbarkeit.

Tabelle mit den grundlegenden Eigenschaften von Kupfer.

Nachfolgend sind einige der Kupferlegierungen aufgeführt:

• Bronze
• Messing
• Kupfer-Nickel-Legierungen
• Berylliumkupfer
• Kupfer-Nickel-Silizium-Legierungen

2. Aluminium: Leicht und korrosionsbeständig

Leicht:

Aluminium ist einer der leichtesten technischen Werkstoffe. Aufgrund der geringen Dichte von 2.7 g/cm3 Aluminium wird es häufig in Luft- und Raumfahrtanwendungen eingesetzt. Aluminium weist ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf. Seine Dichte beträgt ein Drittel der von Stahl.

Korrosionsbeständigkeit:

Wenn Aluminium Sauerstoff ausgesetzt wird, bildet es auf seiner Oberfläche eine Aluminiumoxidschicht. Diese Oxidschicht, auch Passivierungsschicht genannt, fungiert als Barriere zwischen der Umgebung und dem inneren Aluminium und verhindert so dessen Korrosion. Aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit wird Aluminium häufig in feuchten Umgebungen verwendet.

Die Abbildung zeigt eine Komponente aus Aluminium für die Luft- und Raumfahrt.

3. Bronze und Messing: Kupferlegierungen und ihre Verwendung

Tabelle mit dem Unterschied zwischen Messing und Bronze.

Abbildung zeigt einige Nichteisenmetalle.

Spezielle Metalle und Legierungen

1. Titan: Festigkeits- und Luft- und Raumfahrtanwendungen

Titan hat ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und einen hohen Schmelzpunkt, was es zu einem Edelmetall für die Verwendung in der Luft- und Raumfahrt macht. Die Zugfestigkeit von Titan beträgt etwa 434 MPa, der Elastizitätsmodul liegt bei knapp 105 GPa und die Streckgrenze bei 370 MPa.

Tabelle mit Titansorten, die in Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet werden können

Abbildung zeigt eine 3D-gedruckte Luft- und Raumfahrtkomponente aus Titanlegierung.

2. Seltene Metalle und Erdalkalimetalle

Hohe Schmelzpunkte und hervorragende elektrische Eigenschaften sind die Haupteigenschaften seltener Metalle wie Tantal und Niob, weshalb sie in verschiedenen Elektronik- und Luft- und Raumfahrtanwendungen eingesetzt werden. Während Erdalkalimetalle im Vergleich zu seltenen Metallen wie Kalzium und Magnesium für ihre hohe Reaktivität bekannt sind und häufig in der Metallurgie, Pharmazie und Bauindustrie eingesetzt werden.

Tabelle mit verschiedenen Elementen und Anwendungen von seltenen Metallen und Erdalkalimetallen.

Abbildung zeigt ein Bild von Erdalkalielementen.

Metallauswahlkriterien für technische Anwendungen

Die Auswahl technischer Materialien kann auf der Grundlage der folgenden Kriterien erfolgen.

1. Leistungsanforderungen.
2. Zuverlässigkeitsanforderungen.
3. Anforderungen an Größe, Masse und Form.
4. Kostenanforderungen.
5. Herstellungsanforderungen.
6. Branchenvorschriften und -standards.
7. Nachhaltigkeitsanforderungen.
8. Geistiges Eigentum

Ashbys Materialauswahlmethodik.

Die Auswahl technischer Materialien wurde von Ashby vereinfacht, indem er Auswahltabellen für technische Materialien eingeführt hat, die uns helfen, viele technische Materialien auf einmal zu bewerten und sie mit verschiedenen Eigenschaften zu vergleichen.

Materialauswahltabelle zum Vergleich von Dichte und Elastizitätsmodul verschiedener Materialien [16].

Materialauswahltabelle zum Vergleich von Kosten und Elastizitätsmodul verschiedener Materialien.

YouTube-Video zur Materialauswahl mithilfe von Ashby-Plots und Leistungsindizes.
https://www.youtube.com/watch?v=9RQkvcsRzbo&pp=ygUfbWF0ZXJpYWwgc2VsZWN0aW9uIGFzYnkgYXBwcm9jaA%3D%3D

Bewertung von Faktoren bei der Metallauswahl

1. Funktionalität 
2. Umweltbedingungen.
3. Technische Materialeigenschaften wie ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Schmelzpunkt und Haltbarkeit.
4. Kosten.
5. Testen des Prototypings
6. Fachberatung.
7. Qualitätssicherung 

Anwendungen verschiedener Metalle im Ingenieurwesen

1. Eisen und Stahl im Bauwesen und im Maschinenbau

Tabelle mit Anwendungen von Eisen und Stahl im Bauwesen und im Maschinenbau.

2. Kupfer und seine Legierungen in elektrischen und thermischen Anwendungen

Tabelle mit Kupfer und seinen Legierungsanwendungen

3. Edelstahl in der Schiffstechnik

Tabelle mit der Verwendung von Edelstahl in Schiffskomponenten.

Wie Metallbearbeitungsdienstleistungen Ihr Projekt unterstützen können

Der Metallbearbeitungsservice hilft bei unserem Projekt, indem er Präzision bei der Herstellung von Komponenten aus technischen Materialien gewährleistet, die in verschiedenen komplexen Industrieanwendungen eingesetzt werden können. Fortschrittliche Bearbeitungen wie CNC-Fräsen, Schleifen und Drehen helfen uns, Metallkomponenten mit großer Präzision und Genauigkeit herzustellen. Diese Bearbeitungsdienstleistungen verkürzen die Produktionszeit und ermöglichen die Großserienproduktion von Komponenten aus technischen Materialien, die Ihr Projekt rationalisieren können.

Fortgeschrittene Konzepte in der Metallwissenschaft

Einige fortgeschrittene Konzepte der Metallwissenschaft umfassten Nanomaterialien, fortschrittliche Legierungsentwicklungstechniken, die Erforschung der Metallurgie auf atomarer und molekularer Ebene, neuartige Metallherstellungsmethoden einschließlich Laserbearbeitung und additive Fertigung sowie Metamaterialien.

Kristallstrukturen und Legierungen verstehen

1. Raumzentrierte kubische und Kristallstrukturen

Im BCC befinden sich Atome an acht Ecken des Würfels und ein Atom in der Mitte, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Abbildung zur Veranschaulichung der Struktur von BCC-, FCC- und HCP-Kristallstrukturen.

Tabelle mit den Unterschieden zwischen BCC-, FCC- und HCP-Kristallstrukturen.

YouTube-Video zur Chemie der Elementarzellen. Einfache kubische, kubisch raumzentrierte und kubisch flächenzentrierte Kristallgitterstruktur

https://www.youtube.com/watch?v=HCWwRh5CXYU&pp=ygUKYmNjYWNjIGhjcA%3D%3D

2. Legierungsentwicklung: Von Bronze zu Edelstahl

Bronze ist ein historisches und altes Edelmetall, das für Korrosionsbeständigkeit und ästhetische Zwecke verwendet wird. Aufgrund seiner leichten Kratzfähigkeit und Weichheit in der Natur und der Tatsache, dass es in einer sehr rauen Umgebung keine Korrosionsbeständigkeit bieten kann, wurde eine neue fortschrittliche Legierung namens Edelstahl entwickelt Chrom drin. Im Vergleich zu Bronze bietet Edelstahl eine bessere Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Edelstahl bietet im Vergleich zu Bronze eine bessere Korrosionsbeständigkeit, Kratzfestigkeit und Festigkeit.

Moderne Technologien und Metallverwendung

1. Elektronenkonfiguration und magnetische Eigenschaften

Die Elektronenkonfiguration bewertet die magnetischen Eigenschaften von Metallen. In der Metallurgie untersuchen wir, dass ungepaarte Elektronen im Metall den Magnetismus bestimmen. Ferromagnetische Metallarten wie der Elektronenspin von Eisen erzeugen starke Magnete. Paramagnetische Metallarten wie Aluminium sind aufgrund ungepaarter Elektronen schwache Magnete.

2. Umweltauswirkungen: Nachhaltigkeit in der Metallproduktion

Zu den Umweltauswirkungen zählen ein geringerer technischer Materialverbrauch, ein minimaler Energieverbrauch bei der Metallherstellung, die Förderung des Recyclings und die Minderung von Umweltschäden bei der Metallherstellung.

Metalle in Alltag und Industrie

Ungewöhnliche Metalle und ihre Verwendung

Tabelle mit Anwendungen einiger unedler Metalle.

Metalle in Lebensmitteln und Gesundheit: Eisen und Zink

1. Eisen: kommt in angereichertem Getreide, Geflügel, Fisch und rotem Fleisch vor. Eisen ist essentiell für Hämoglobin, das den Sauerstofftransport im Blut unterstützt und die zelluläre Energieproduktion fördert.
2. Zink: kommt in Vollkornprodukten, Milchprodukten, Nüssen und Fleisch vor. Zink ist sehr wichtig für die effektive Leistung des Immunsystems, die Hormonregulation und die Geschmackswahrnehmung.

Industrielle Fertigung und einfache Maschinen

Einfache Maschinen wie Hebel, Räder und Achsen, schiefe Ebenen, Riemenscheiben, Schrauben und Keile spielen in der Fertigungsindustrie eine wichtige Rolle. Trotz komplexer Maschinen benötigen wir immer diese einfachen Maschinen, die unsere Arbeit erheblich erleichtern. Diese Maschinen sind auch die Bausteine ​​einiger komplexer Maschinen. Der Hauptvorteil einfacherer Maschinen besteht darin, dass sie von jedermann leicht bedient werden können, keine Fachkräfte erforderlich sind und im Vergleich zu komplexen Maschinen kein Kraftstoff benötigt wird.

Innovationen und zukünftige Trends in der Metallverwendung

1. Neue Metalltechnologien: Leiter und Korrosionsbeständigkeit

Zu den neuen Metalltechnologien für Leiter und Korrosionsbeständigkeit gehören Supraleiter, neue Legierungen und fortschrittliche Oberflächenbehandlungen.

2. Metalle in erneuerbaren Energien und Automatisierung

Metalle spielen eine wichtige Rolle in Technologien für erneuerbare Energien wie Batterien für Elektrofahrzeuge, Sonnenkollektoren, Batterien für Elektrofahrzeuge und Windkraftanlagen. Metalle werden zu Automatisierungssystemen, fortschrittlichen Herstellungsprozessen und Robotik hinzugefügt, die bei der effektiven Herstellung automatisierter Maschinen und Systeme für erneuerbare Energien helfen.

Fazit

Man kommt zu dem Schluss, dass die Metalle in fast allen Bereichen unseres Lebens lebenswichtig sind. Vom Hausbau bis hin zu unserer medizinischen Gesundheit spielen Metalle eine entscheidende Rolle. Von der Antike bis zur Neuzeit besteht der Hauptfortschritt darin, dass heute der Materialverbrauch reduziert und die Materialeffizienz erhöht wird. Neu aufkommende Technologien wie Nanomaterialien, fortgeschrittene Legierungsentwicklungstechniken, die Erforschung der Metallurgie auf atomarer und molekularer Ebene, neuartige Metallherstellungsmethoden einschließlich Laserbearbeitung und additiver Fertigung sowie Metamaterialien haben die Ordnungskonzepte der Verwendung von Metallen verändert.

FAQ

Wann wurde Metall entdeckt?

Im Jahr 8000 v. Chr. wurde die Metallverarbeitung entwickelt, bei der in alten Zivilisationen wie Mesopotamiern und Ägyptern Kupferverhüttung eingesetzt wurde.

Am häufigsten verwendetes Metall

Eisen ist das am häufigsten verwendete Metall in verschiedenen Branchen wie dem Transport-, Bau- und Transportwesen.

Wie viele Metallarten gibt es?

Im Periodensystem sind 90 verschiedene Metallarten vertreten. Aus diesen 90 Metallen werden verschiedene Legierungen hergestellt.

Bilden Metalle im Allgemeinen Anionen oder Kationen?

Metalle sind kationisch, sie geben Elektronen ab, um sich zu stabilisieren und metallische Bindungen einzugehen.