10 Anhang
10.1 Bindungsarten und Festigkeit
Die metallische Bindung
wird mit der Existenz frei beweglicher Elektronen zwischen
Atomrümpfen erklärt. Aus diesem Modell leiten sich
ihre Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit und
Duktilität ab. Wegen der allseitig ungerichteten Wirkung
der metallischen Bindung bilden sich in typischen Metallstrukturen
dichte Atompackungen mit hohen Koordinationszahlen. Die Duktilität
metallischer Werkstoffe kann modellmäßig durch
das Abgleiten dichtest gepackter Ebenen ohne Änderung
des Bindungszustandes gedeutet werden. Die metallische Bindung
ist in der Regel schwächer als die ionische und die kovalente.
Bei keramischen Werkstoffen liegen in der
Regel eine Mischform von ionischer und kovalenter
Bindung vor. Während die Ionenbindung immer
durch einen Elektronenübergang zwischen einem Metall-
und einem Nichtmetallatom gekennzeichnet ist, teilen sich
bei der rein kovalenten Bindung Nichtmetallatome gemeinsame
Elektronenpaare. Die starken Bindungskräfte keramischer
Materialien kommen in den hohen E-Moduli- und Härtewerten,
den hohen Schmelzpunkten, der geringen Wärmedehnung und
der guten chemischen Resistenz dieser Werkstoffe zum Ausdruck.
Die kovalente Bindung ist stark gerichtet; Zuordnung und
Abstand benachbarter Atome liegen genau fest. Die Stabilität
ionischer und kovalent gebundener Feststoffe hängt stark
von der Aufrechterhaltung der atomaren Geometrie ab und erklärt
die fehlende plastische Verformbarkeit bei Belastung (niedrige
Bruchzähigkeit). Keramische Werkstoffe sind hart und
deshalb spröde. Ihrem Sprödbruchverhalten muss
der Konstrukteur bei der Auslegung der Bauteilbeanspruchung
unbedingt Rechnung tragen.
Organische Polymere sind aus langen Molekülketten
aufgebaut, die sich bei Raumtemperatur entweder ungeordnet
verknäult oder in regelmäßiger Anordnung
zusammengelagert haben. Zwischen den Makromolekülen
chemisch nicht vernetzter Kunststoffe wirken ausschließlich
Nebenvalenzkräfte, so genannte van der Waal´sche
Kräfte. Diese sind um ein bis zwei Zehnerpotenzen
kleiner als die kovalenten Kräfte und können durch
Wärmebewegung leicht überwunden werden. Dies begründet
die geringe Warmfestigkeit, den niedrigen E-Modul,
den hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, aber
auch die hervorragenden elastischen und plastischen Dehnungswerte
dieser Werkstoffe. Wie Keramiken haben die Polymere eine
gute chemische Beständigkeit, elektrische und thermische
Isolationseigenschaften. Bei tiefen Temperaturen zeigen sie
eine ausgeprägte Sprödigkeit.
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