Was ist Metall? Definition, Eigenschaften, Arten und Verwendungszwecke

Was ist Metall? Ein materialwissenschaftlicher Leitfaden zu Definition, Eigenschaften und Klassifizierung

Metalle sind überall - von den Trägern, die zur Unterstützung von Brücken verwendet werden, über die im Inneren verwendete Verkabelung bis hin zum Gehäuse, das in Ihrem Telefon verwendet wird. Obwohl Sie mit den Namen und Verwendungszwecken vertraut sein mögen, würden die meisten Menschen hart dazu gedrängt, auf atomarer Ebene eine Erklärung darüber abzugeben, was ein Material zu einem Metall macht. Dieser Leitfaden zielt darauf ab, genau das zu erklären - was ist Metall, welche Eigenschaften ermöglichen es ihm, sich für die Klassifizierung zu qualifizieren, auf welche Weise unterscheiden sich die Hauptkategorien und welche Branchen sind ihre Wahl? Im Folgenden finden Sie eine Zusammenstellung vieler Materialdatenquellen, die die notwendigen Informationen für einen angehenden Fertigungsingenieur oder einen Materialwissenschaftler in der Planungsphase liefern sollen.

Was ist Metall? Definition und Atomstruktur

Ein Metall ist ein Stoff - entweder in seiner elementaren Form, eine Legierung oder Verbindung - der Strom leitet, Wärme leitet, Licht reflektiert und der ohne Bruch verformt werden kann Von den 118 Elementen aufgelistet von IUPAC Im Periodensystem sind etwa 91 typischerweise metallisch unterschiedlicher Abstammung und ein umfangreiches Sortiment.

Woraus bestehen Metalle auf atomarer Ebene? alle Atome von Metallatomen haben einen Kern (Protonen und Neutronen), der von Hüllen von Elektronen umgeben ist, aber es ist die Tatsache, dass das Atom seine Valanzelektronen locker hält, die es zu einem metallischen Element macht, und wenn sich eine große Anzahl von Atomen zusammensetzt, können die delokalisierten freien Elektronen ihr Mutteratom verlassen und in eine kollektive Zahl eintreten, das sogenannte ‘electronsea’-Modell, das Anfang der 1900 er Jahre vom Physiker Paul Drde vorgeschlagen wurde.

Wegen der Gleichmäßigkeit des das Ionengitter nach allen Richtungen zentrierenden Electronseas neigen Metalle bei Anwendung bei Raumtemperatur zu ihrer festen Form, eine Ausnahme bildet der Merkur mit ungewöhnlich schlaffen metallischen Bindungen, die ihn bei nur 38,83 C schmelzen lassen.

Schlüsseleigenschaften von Metallen und Chemikalien

Metalleigenschaften fallen in grobe physikalische und chemische Klassifikationen Das Studium der Eigenschaften des Metalls hilft Design - und Fertigungsingenieur zu entscheiden, welche Materialien für jedes Projekt am besten geeignet wären.

Physikalische Eigenschaften

Eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit von Metallen hat eine gemeinsame Erklärung - delokalisierte Elektronen können die Ladung bei anliegender Spannung mit geringem Widerstand tragen; Silber hat mit 6,30 10 S/m die höchste elektrische Leitfähigkeit aller Elemente an der Spitze der Liste. Es kostet jedoch 10 bis 1/100 des Kupferpreises pro Kilogramm und ist daher nicht kommerziell für den Einsatz beispielsweise in elektrischen Leitungen geeignet Kupfer bleibt einer der Hauptleiter für Strom und Wärme in der Industrie und liefert eine vergleichbare Leistung zu einem Bruchteil der Kosten.

Die Blässe und Duktilität sind abhängig von der Kristallstruktur des Materials, existieren Metalle mit kubisch-flächenzentrierter (FCC) Struktur, wie Gold, Silber, Kupfer und Aluminium, haben mehr Gleitsysteme, so können viele seiner Atomebenen gleiten Metalle, die mit einer kubisch-raumzentrierten (BCC) Struktur wie Wolfram und Eisen existieren, haben weniger Gleitsysteme, was zwar härter als FCC-Metalle macht, aber keinen Prozess wie Kaltarbeit erlaubt, was sie wiederum weniger duktil macht Metalle mit einer hexagonalen Nahpackstruktur (HCP) wie Zink und Titan stehen an einer Kreuzung zwischen den beiden oben genannten.

Chemische Eigenschaften

Auf chemischer Ebene neigen Metalle dazu, bei Reaktionen Elektronen zu verlieren und positiv geladene Ionen zu bilden. Bei diesen Prozessen handelt es sich um geprägte Oxidation. Alkalimetalle wie Natrium und Kalium sind besonders mit Wasser äußerst reaktiv, während Gold oder Silber fast vollständig korrosionsbeständig sind. Der Block von Elementgruppen, sogenannte Übergangsmetalle, bei denen alle Elektronen mit der höchsten Energie in d-Orbitalen den größten Teil des Periodensystems ausmachen und Chrom, Kupfer und Molybdän umfassen. Ihre Kombination aus Reaktivität und Stabilität liefert die Arbeitstiere industrieller Metallmetalle werden in der Reaktivitätsreihe von der höchsten bis zur geringsten Reaktivität eingestuft.

Arten von Metallen eisenhaltig, nicht eisenhaltig und Legierungen

Industriemetalle können grob in zwei, seltener drei Gruppen eingeteilt werden, je nachdem, ob es sich um Eisenmetalle, Nichteisenmetalle oder Legierungen handelt. Die Anforderungen für die Verwendung jedes Typs sind dann anwendungsspezifisch im Hinblick auf Kosten, Gewicht, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Eisenmetalle

Eisenmetalle enthalten verschiedene Legierungen aus Eisen. Übliche sind Gusseisen (eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 4,51 TP3 T), (mit einer Zusammensetzung von etwa 0,002,141,TP3 T (oder 0,0221,4 g/kg oder 20,21400 ppm) Kohlenstoff, der die Eigenschaften des hauptsächlich Eisen macht). Bericht der World Steel Association 2024 Die jährliche weltweite Rohstahlproduktion erreicht 1.885 Millionen Tonnen. Kohlenstoffstahl wird mit 0,2-2,11 TP3 T nach Gewicht Kohlenstoff in der Gleichung gebildet (via ASTM A941) und gegossen wird, entsteht durch den Kohlenstoffgehalt von über 21 TP3 T eine Produktion von Gusseisen, das spröde, aber hoch gießbar ist.

Nichteisenmetalle

Nichteisen enthält kein Eisen Dazu gehören Aluminium, Kupfer, Zink, Titan, Nickel und Gold sowie Silber. Die mit Abstand größte ist Aluminium, das im Jahr 2024 um 1183,9 Milliarden US-Dollar wächst und im Jahr 2033 bei einer CAGR von 4,21 TP3 T 1746,9 Milliarden US-Dollar erreicht. Die treibende Kraft hinter dem Anstieg ist die Nachfrage in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie, wo ihre Leichtigkeit, die aus einer Dichte von 2,70 g/cm2 besteht, unter der von bis zu 7,85 g/cm2 liegt, die Leichterung von Fahrzeugen ausmacht, da diese das Fusionspotenzial einer Unze bei eingespartengewicht (mit eingespart) teilen. Marktbericht der IMARC-Gruppe).

Legierungen

Legierungen werden gebildet, wenn zwei oder mehr Elemente in einem bestimmten, festgelegten Verhältnis gemischt werden. Mindestens ein Element ist ein Metall. Legierungen werden so konstruiert, dass sie die gewünschte Qualität oder Intensität aufweisen, die mit den Eigenschaften eines einzelnen Elements nur schwer zu erreichen ist. Beispielsweise bietet Messing Eigenschaften, die härter als Kupfer oder Zink sind einzeln, zusammen mit einer besseren Korrosionsbeständigkeit, wobei Bronze eine Legierung aus Zinn und Kupfer ist, und die Zugabe von Chrom (10,5%) zu Stahl, um rostfreie Stähle zu ergeben, bedeutet eine Schicht aus schützenden Oxidformen, was bedeutet, dass das Metall selbst nicht rostet.

Gängige Metallbeispiele und industrielle Anwendungen

Verschiedene Metalltypen erfüllen unterschiedliche Bauanforderungen, wie unten für verschiedene Beispiele gezeigt.

Metallrecycling ist ein stetig wachsender Abschnitt der globalen Lieferkette. Daten des Bureau of International Recycling (BIR) 2024 Schlagen Sie vor, dass jedes Jahr etwa 630 Millionen Tonnen recycelter Stahl in die Herstellung neuer Stähle einfließen; Dieses Recycling verhindert die Freisetzung von 950 Millionen Tonnen CO-Emissionen. Allein in den USA macht recycelter Stahl 69,21 TP3 T Rohstahlproduktion aus, eine der höchsten Mengen an recyceltem Stahl unter den großen Volkswirtschaften der Welt.

Ähnlich hat am Nichteisenabschnitt das Recycling von Nichteisenmetallen wie Aluminium seinen Anteil gewonnen Während Eisenmaterial beim Recycling leicht oxidiert und an Qualität verliert, können Nichteisenmetalle ohne Materialabbau ad infinitum recycelt werden Das Recycling von Aluminium würde nur etwa 51TP3 T der Energie verbrauchen, um Aluminium aus dem Bauxiterz und der Schmelze zu gewinnen.

Metalle vs. Nichtmetalle vs. Metalloide

Alle Elemente des Periodensystems liegen in drei großen Kategorien, die Metalle, Nichtmetalle und Metalloide sind Eine diagonal von Bor (B, Nummer 5) nach Polonium (Po, Nummer 84) verlaufende Treppenstufenlinie teilt das Periodensystem in zwei Teile, links liegen die Metalle, rechts die Nichtmetalle entlang der Oberseite, unterer Teil der Diagonale gehört zu den Metalloiden.

Uinter-alian.

Metalloide sind besonders interessant, weil sie zwei Domänen verbinden Silizium-elektrisch hat eine Leitfähigkeit von ungefähr 1,56 10 S/m. Das (oder jedes Übergangselement) hat eine Leitfähigkeit Jahrzehnt die von Kupfer (5,96 10 S/m), aber Millionen Mal die von Schwefel (nahe Null Leitfähigkeit) bedeutet nicht Mittelmäßigkeit; es bietet die Möglichkeit, die Welt mit einer Schicht von Silizium zu verkabeln der Preis eines Motels Die globale Siliziumindustrie war mehr wert als US $600 Milliarden.

Wie Metalle geformt werden CNC-Bearbeitung und Metallverarbeitung

Rohmetall kann durch verschiedene Fabrikationsprozesse zum Endprodukt werden - Gießen, Schmieden, Schweißen, Bearbeiten Besonders vorteilhaft für die Herstellung von Metallprodukten mit engen Maßtoleranzen ist die CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control).Der Bearbeitungsprozess beinhaltet die Entfernung von Metall aus einem festen Metallblock entlang digital erzeugter Werkzeugwege, es erzeugt Toleranzen von ±0,005 mm.

Jeder Metalltyp gibt seine eigenen Bearbeitungsparameter vor Aluminium, das eine Härte von nur 2,75 Mohs hat, wird durch Schneiden mit idealerweise versenktem Kopf und schneller Wärmeableitung durch hohe Wärmeleitfähigkeit bearbeitet. Titan weist im Vergleich dazu bei hoher Temperatur eine sehr hohe chemische Reaktivität auf und die Arbeit härtet aus, was zu weniger als idealen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten mit sehr starren Werkzeugen führt. Andererseits ist Edelstahl für eine korrosionsbeständige Schicht aus Chromoxid sehr hart, daher werden bei der Bearbeitung kräftig scharfe Werkzeuge und Siliciumdioxid gekühlt eingesetzt.

Wenn ein Projekt erfordert CNC-Metallbearbeitungsdienstleistungen, In „die erste technische Entscheidung besteht darin, ein geeignetes Metall zu finden, das der Anwendung entspricht. Legierung, Gewicht, Korrosionsumgebung, Toleranzklasse. Das Ingenieurteam von Le Creator Funktioniert mit Aluminium, Stahl, Edelstahl, Messing, Kupfer und Titan für Automobil-, Medizin- und Elektronikanwendungen.

Häufig gestellte Fragen