Wolfgang W. Seidel Frank Hahn. Werkstoff technik. Werkstoffe Eigenschaften Prüfung Anwendung. 10., aktualisierte Auflage

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1 Wolfgang W. Seidel Frank Hahn Werkstoff technik Werkstoffe Eigenschaften Prüfung Anwendung 10., aktualisierte Auflage

2 Inhaltsverzeichnis Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen Struktur und Eigenschaften der Metalle Überblick Metallbindung und Gitterstruktur Übersicht Wechselwirkung zwischen Atomen Kristallstruktur der Metalle Der kristalline Zustand (Idealkristall) Gittertypen Realstruktur Gitterstruktur und technische Eigenschaften Kristallisation Übersicht Phasenumwandlungen Thermische Analyse Übergang flüssig kristallin Elastische und plastische Verformung Übersicht Mechanische Beanspruchung Elastische Verformung Plastische Verformung Thermisch aktivierte Vorgänge Übersicht Gittervorgänge unter Temperatureinfluss Diffusion Erholung und Rekristallisation Lernzielorientierter Test zu Kapitel Legierungen Überblick Aufbau der Legierungen Übersicht Mischkristall Überstruktur Intermetallische Verbindungen Gefügeaufbau der Legierungen Zustandsdiagrae Übersicht Begriffe, Einstoffsystem

3 Inhaltsverzeichnis Zweistoffsysteme (binäre Systeme) Einführung Völlige Löslichkeit im festen Zustand Unlöslichkeit im festen Zustand System mit begrenzter Löslichkeit im festen Zustand eutektisches System System mit begrenzter Löslichkeit im festen Zustand peritektisches System Das Lesen der Zweistoffdiagrae Regeln Beispiele Legierungseigenschaften Übersicht Tendenzen Lernzielorientierter Test zu Kapitel Eisen-Kohlenstoff-Legierungen Überblick Reines Eisen Komponente Kohlenstoff Allgemeines zum System Eisen-Kohlenstoff System Eisen-Eisencarbid (Fe-Fe 3 C) Die Gefügearten des Systems Eisen-Eisencarbid Einteilung der Eisenwerkstoffe Stabiles System Eisen-Kohlenstoff (Fe-C) Lernzielorientierter Test zu Kapitel Wärmebehandlung der Eisenwerkstoffe Überblick Grundlagen der Wärmebehandlung Übersicht Erwärmung in das Austenitgebiet (Austenitisierung) Abkühlung aus dem Austenitgebiet Thermische Verfahren Übersicht Glühen Diffusionsglühen Grobkornglühen Normalglühen Glühen auf kugelige Carbide Spannungsarmglühen Rekristallisationsglühen Härten und Anlassen Vergüten Randschichthärten

4 10 Inhaltsverzeichnis 4.3 Thermochemische Verfahren Übersicht Einsatzhärten Nitrieren Thermomechanische Verfahren Übersicht Verfahrensgrundlagen Verfahrensvarianten Lernzielorientierter Test zu Kapitel Eisengusswerkstoffe Überblick Erstarrung und Gefügeausbildung von Eisengusswerkstoffen Übersicht Einteilung der Eisengusswerkstoffe Schwindung, Lunker, Gasblasen und Seigerung Gefügeausbildung bei Eisengusswerkstoffen Stabile und metastabile Erstarrung Grundgefüge Der Einfluss von Abkühlgeschwindigkeit und Wandstärke des Gussteiles Graphitformen bei Gusseisen Gusseisen mit Lamellengraphit Übersicht Erschmelzung und chemische Zusaensetzung Wärmebehandlung Eigenschaften und Anwendung Grauguss mit Kugelgraphit Übersicht Erschmelzung und chemische Zusaensetzung Wärmebehandlung Eigenschaften und Anwendung Weitere Eisengusswerkstoffe Lernzielorientierter Test zu Kapitel Eisenknetwerkstoffe Überblick Stähle Einteilung und Bezeichnungssysteme Übersicht Stahl Definition Einteilung der Stähle Eisenbegleiter und Legierungselemente Bezeichnung der Stähle Stahlgruppen Übersicht Baustähle

5 Inhaltsverzeichnis Baustähle für bestite Wärmebehandlungen Nichtrostende Stähle Werkzeugstähle Unlegierte und legierte Kaltarbeitsstähle Warmarbeitsstähle Schnellarbeitsstähle Lernzielorientierter Test zu Kapitel Nichteisenmetalle (NE-Metalle) Überblick Allgemeines zur Werkstoffbezeichnung Übersicht Werkstoff- und Zustandsbezeichnungen nach EN Aluminium, Aluminiumlegierungen Übersicht Reinaluminium Eigenschaften Anwendung Aluminiumlegierungen Einteilung, Eigenschaften Wirkung der Legierungselemente Aushärten Legierungstyp, technische Anwendung Kupfer, Kupferlegierungen Übersicht Reinkupfer Kupfer-Zink-Legierungen (Messing) Kupfer-Zinn-Legierungen Magnesium, Magnesiumlegierungen Übersicht Reinmagnesium Magnesiumlegierungen Titan, Titanlegierungen Übersicht Reintitan Titanlegierungen Lernzielorientierter Test zu Kapitel Sinterwerkstoffe Überblick Grundlagen der Sintertechnik Übersicht Pulverherstellung Formgebung Sintern Nachbehandlung

6 12 Inhaltsverzeichnis 8.2 Eigenschaften, Anwendungsgebiete Übersicht Sintermetalle Gesinterte Carbidhartmetalle (Hartmetalle) Oxid- und Mischkeramik Nichtoxidkeramik Lernzielorientierter Test zu Kapitel Korrosion und Korrosionsschutz Überblick Grundlagen Übersicht Ursachen der Korrosion Chemische Korrosion Elektrochemische Korrosion Passivierung Korrosionsarten Übersicht Korrosionsarten ohne mechanische Beanspruchung Gleichmäßige und ungleichmäßige Flächenkorrosion Lochkorrosion Spaltkorrosion Bimetallkorrosion (Kontaktkorrosion) Korrosionsarten mit mechanischer Beanspruchung Spannungskorrosion/Spannungsrisskorrosion Schwingungsrisskorrosion Erosions- und Kavitationskorrosion Korrosionsschutz Übersicht Aktiver Korrosionsschutz Werkstoffauswahl Korrosionsschutzgerechtes Konstruieren Katodischer Korrosionsschutz Beeinflussung des Korrosionsmediums Passiver Korrosionsschutz Vorbereitung der Oberfläche Organische Beschichtungen Metallische Überzüge Lernzielorientierter Test zu Kapitel Kunststoffe Überblick Struktur von Kunststoffen Übersicht Entstehung der Makromoleküle Räumliche Anordnung der Makromoleküle Hilfs- und Zusatzstoffe

7 Inhaltsverzeichnis Eigenschaften und Verarbeitung von Kunststoffen Übersicht Allgemeine Eigenschaften Thermisch mechanische Eigenschaften von Kunststoffen Einfluss von Struktur und Temperatur Einfluss der Belastungsdauer/-geschwindigkeit Verarbeitung von Kunststoffen Ausgewählte Kunststoffe Übersicht Thermoplaste Polyethylen PE Polypropylen PP Polystyrol PS Polyvinylchlorid PVC Polyethylenterephthalat PET Weitere technische Thermoplaste Duroplaste Epoxidharz EP Ungesättigtes Polyesterharz UP Polyurethan (vernetzt) PUR Elastomere Naturkautschuk NR Styrol-Butadien-Kautschuk SBR Lernzielorientierter Test zu Kapitel Verbundwerkstoffe Überblick Die Struktur von Verbundwerkstoffen Übersicht Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde Verbundwerkstoffe ihre Einsatzziele Teilchen- und faserverstärkte Verbundwerkstoffe Übersicht Teilchenverstärkte Verbundwerkstoffe Faserverstärkte Verbundwerkstoffe Lernzielorientierter Test zu Kapitel Werkstoffprüfung Überblick Grundlagen der Werkstoffprüfung Übersicht Werkstoffbeanspruchung Werkstoffprüfung Begriff, Aufgaben und Einteilung der Werkstoffprüfverfahren Mechanische Werkstoffprüfung Übersicht

8 14 Inhaltsverzeichnis Zugversuch Übersicht Prüfprinzip Versuchsauswertung, Kenngrößen Werkstoffverhalten unter Zugbeanspruchung Härteprüfung Übersicht Härteprüfung nach Brinell Härteprüfung nach Vickers Härteprüfung nach Rockwell (HRC) Instrumentierte Eindringprüfung Martenshärte Umwerten von Härtewerten Zähigkeitsprüfung Übersicht Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy Bruchmechanische Werkstoffprüfung Linear elastische Bruchmechanik LEBM Fließbruchmechanik FBM Dauerschwingprüfung Übersicht Dynamische Beanspruchung und Werkstoffverhalten Dauerschwingversuch Das Dauerfestigkeitsdiagra nach Smith Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung Übersicht Durchstrahlungsprüfung Ultraschallprüfung Magnetische Prüfverfahren Einführung Magnetpulverprüfung Wirbelstromprüfung Gefügeanalyse Materialographie Überblick Makroskopische Untersuchungen Lichtmikroskopie Rasterelektronenmikroskopie Transmissionselektronenmikroskopie Lernzielorientierter Test zu Kapitel Lösungsteil Weiterführende Literatur Auskunfts- und Beratungsstellen Sachwortverzeichnis

9 Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen A Anode A Fläche 2 A Bruchdehnung % A g Gleichmaßdehnung % A i Haltepunkt C, K (-temperatur) A s momentane Eindruckoberfläche (Martenshärte) 2 A 1 (A c1 / A r1 ) A c1b / A c1e A r1b / A r1e Eutektoide im EKD, 723 C, Perlitkennlinie Beginn/Ende der Perlitauflösung Beginn/Ende der Perlitbildung A 3 Linie GOS im EKD A c3 A r3 A m (A rm / A cm ) Austenitbildung abgeschlossen Beginn der Austenitumwandlung DMS Dehnungsmessstreifen D Kugeldurchmesser (Brinellhärteprüfung) E Elastizitätsmodul N/ 2 EKD ETB Sättigungslinie ES der γ -Mk für C (Abkühlung/Erwärmung) Eisen-Kohlenstoff- Diagra = Eisen-Eisencarbid- Diagra Erweichungstemperaturbereich F Kraft N F m Höchstzugkraft N F 0 F 1 Prüfvorkraft (Rockwellhärteprüfung) Prüfzusatzkraft (Rockwellhärteprüfung) N/ 2 FBM Fließbruchmechanik G Schubmodul N/ 2 (Gleitmodul) HB Härte nach Brinell N N HM Martenshärte N/ 2 HR, HRC Härte nach Rockwell HV Härte nach Vickers I Intensität der austretenden Strahlung (Durchstrahlungsprüfung) J J-Integral N/ K Katode K verbrauchte Schlagenergie (Kerbschlagbiegeversuch) K, K 1 Spannungsintensitätsfaktor K c K p kritischer Spannungsintensitätsfaktor potentielle Energie eines Pendelhaers vor dem Kerbschlagbiegeversuch (Fallarbeit) KG Kristallgemisch KKs KT L c L e L u L 0 L 1 LEBM katodischer Korrosionsschutz Kristallisationstemperaturbereich Versuchslänge einer Zugprobe Extensometermesslänge (Zugversuch) Messlänge der Zugprobe nach dem Bruch Anfangsmesslänge einer Zugprobe Probenlänge zum Zeitpunkt 1 (momentane Probenlänge während des Zugversuchs) linear elastische Bruchmechanik J N 2 1/2 N 2 1/2 J C M b Biegemoment N m M f M s Ende der Martensitbildung (finish) Beginn der Martensitbildung (start)

10 16 Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen Mk Mischkristall N Schwingspielzahl N B Bruchlastspielzahl N G Grenzlastspielzahl N Ü10 ; N Ü50 ; N Ü90 Schwingspielzahl mit 10 %-, 50 % bzw. 90 %- Überlebenswahrscheinlichkeit NiP Nickelschicht (stromlos) O Oberfläche 2 P Ü Überlebenswahrscheinlichkeit % PD Packungsdichte R elektrischer Widerstand Ω R technische Spannung N/ 2 R eh obere Streckgrenze N/ 2 R el untere Streckgrenze N/ 2 R m Zugfestigkeit N/ 2 R p 0,2 0,2-Dehngrenze N/ 2 R σ Spannungsverhältnis RT Raumtemperatur C S u kleinster Querschnitt 2 der Zugprobe nach dem Bruch im Bereich der Brucheinschnürung S 0 Anfangsquerschnitt 2 einer Zugprobe S 1 Probenquerschnitt zum Zeitpunkt 1 (momentaner Probenquerschnitt während des Zugversuchs) 2 SB Schmelztemperaturbereich T Temperatur C T s Schmelztemperatur C T g Glasübergangstemperatur C T t Übergangstemperatur (Kerbschlagbiegeversuch) C T z Zersetzungstemperatur C SEW Stahl-Eisen-Werkstoffblatt SpRK Spannungsrisskorrosion W Widerstandsmoment 3 W Energie J Y Geometriefaktor Z Brucheinschnürung % L L e L elast L m Längenänderung der Anfangsmesslänge (Zugversuch) Verlängerung der Extensometermesslänge (Zugversuch) elastische Verlängerung der Extensometermesslänge bei Höchstzugkraft (Zugversuch) Verlängerung der Extensometermesslänge bei Höchstzugkraft (Zugversuch) a Anrisslänge a, b, c Gitterkonstante m a 0 b 0 Anfangsdicke einer Flachzugprobe Anfangsbreite einer Flachzugprobe c Konzentration Masse-% d Netzebenenabstand m d Durchmesser des Härteeindrucks (Brinellhärteprüfung) d 0 d 1, d 2 Anfangsdurchmesser einer Zugprobe Diagonalenlängen (Vickershärteprüfung) d. h. das heißt e e ė e p Änderung der Thermospannung Dehnung bzw. Extensometerdehnung V/K % Dehnungsgeschwindigkeit s 1 plastische Extensometerdehnung %

11 Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen 17 f Durchbiegung g, g n Fallbeschleunigung m/s 2 h bleibende Eindringtiefe h h 1 hex, hp hdp i Fallhöhe des Pendelhaers Steighöhe des Pendelhaers hexagonal primitives Gitter hexagonales Gitter dichtester Packung i. d. R. in der Regel k Proportionalitätsfaktor (Zugversuch) k f Fließspannung N/ 2 kfz kp krz m m e n Ordnungszahl (Dauerschwingversuch) kubisch-flächenzentriertes Gitter kubisch-primitives Gitter kubisch-raumzentriertes Gitter m m Masse des Pendelhaers kg experimentell bestiter N/ 2 Anstieg der Hooke schen Geraden (Zugversuch) Anzahl der geprüften Proben (Dauerschwingversuch) n Polymerisationsgrad n Anzahl der Atome je Elementarzelle p Druck, Flächenpressung N/ 2 s Durchbiegung (Kerbschlagbiegeversuch) t Zeit s t b bleibende Eindringtiefe t H Haltezeit s, min v Kerbaufweitung v Prüfgeschwindigkeit /s v A Abkühlgeschwindigkeit K/s z. B. zum Beispiel α, β, γ Achsenwinkel,, α, β,... α, β,... Gittermodifikationen (verschiedene Gitterarten) verschiedene Phasen (z. B. Mischkristallarten) β K Kerbwirkzahl δ Rissöffnung ε B Bruchdehnung (bei Kunststoffen) ϑ Temperatur C λ Wellenlänge m λ Wärmeleitfähigkeit W/(m K) ν Querkontraktionszahl bzw. Poisson sche Zahl ϱ spezifischer elektrischer Ω 2 /m Widerstand σ Normalspannung N/ 2 σ wahre Spannung N/ 2 σ A, PÜ =10 % Dauerfestigkeit mit 10 % N/ 2 Überlebenswahrscheinlichkeit σ D Dauerfestigkeit N/ 2 σ nd Gestaltfestigkeit N/ 2 σ M Zugfestigkeit (bei Kunststoffen) % N/ 2 σ Sch Schwellfestigkeit N/ 2 σ W Wechselfestigkeit N/ 2 σ a Spannungsamplitude N/ 2 σ m Mittelspannung N/ 2 σ o Oberspannung N/ 2 σ u Unterspannung N/ 2 τ ϕ Tangentialspannung bzw. Schubspannung Umformgrad, Verformungsgrad N/ 2 Symbole für Elemente und chemische Verbindungen sowie Werkstoffbezeichnungen sind in dieser Übersicht nicht enthalten.

12 1 Struktur und Eigenschaften der Metalle 1.0 Überblick Die Gebrauchseigenschaften der metallischen Werkstoffe bestien neben dem Preis deren praktische Anwendung. Die chemische Zusaensetzung und die Struktur der Festkörper haben in hohem Maße Einfluss auf die technisch nutzbaren Eigenschaften. Die Beschreibung der Zusaenhänge zwischen Struktur und Eigenschaften bildet die Grundlage für das Verständnis aller folgenden Themenkreise, die metallische Stoffe zum Gegenstand haben. Die Ausführungen lassen außerdem prinzipielle Schlussfolgerungen auch für nichtmetallische Stoffe zu. Struktur und Eigenschaften lassen sich technologisch gezielt verändern. Themenkreis 1 Struktur und Eigenschaften der Metalle beantwortet folgende Fragen: Wie sind die Atome in metallischen Stoffen im festen Zustand räumlich angeordnet? (Wesen der Gitterstruktur = Kristallaufbau) Weshalb bestien Gittertyp und Gitterfehler wichtige Eigenschaften? Wie entsteht die Gitterstruktur (Vorgänge bei der Kristallisation)? Was bewirkt eine mechanische Beanspruchung des kristallinen Stoffes? Welche Vorgänge im Gitter werden durch Zufuhr von Wärmeenergie ausgelöst? Die Eigenschaften entscheiden darüber, für welche Beanspruchungen der jeweilige Werkstoff eingesetzt werden kann. Außerdem ist wichtig, das günstigste Verfahren für die Formgebung auszuwählen. Die Kenntnisse über das Werkstoffverhalten ermöglichen in vielen Fällen einen modernen Veredlungsprozess, der die mechanische, thermische oder auch chemische Beanspruchbarkeit erhöht. Die Auswahl der theoretischen Grundlagen, der Verfahren und Beispiele erfolgt nach den Bedürfnissen des Maschinenbaus. Alle Aussagen sind jedoch ebenso zutreffend für ähnliche Industriezweige wie Anlagen-, Apparate-, Kran-, Brücken- und Schiffbau, Fahrzeugbau und andere metallverarbeitende Branchen. 1.1 Metallbindung und Gitterstruktur Lernziele Der Lernende kann... die Wechselwirkungen zwischen Atomen in einem Festkörper erläutern, die Besonderheiten der Metallbindung nennen, Ideal- und Realkristall beschreiben, den Zusaenhang Kristallstruktur/Werkstoffeigenschaften an wesentlichen Merkmalen erklären Übersicht Metalle bzw. Legierungen (metallische Stoffe) haben von allen Stoffgruppen mit Abstand die größte Bedeutung im Maschinenbau und in artverwandten Industriezweigen. Dementsprechend werden im Lernbuch die Struktur und die Eigenschaften der metallischen Stoffe berücksichtigt.

13 20 1 Struktur und Eigenschaften der Metalle Neben allgemein hoher Festigkeit und plastischer Verformbarkeit mit dabei auftretendem Anstieg der Streckgrenze (Verfestigungsvermögen) zeichnen sich Metalle durch hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit aus. Die kristalline Struktur der Metalle reflektiert Licht. Ein blankes Metallstück oder eine Bruchfläche weist stets den charakteristischen metallischen Glanz auf. Die meisten Eigenschaften werden durch die Art der chemischen Bindung, die Metallbindung, bestit. Ein massives Stück Metall erscheint als homogener Stoff. Fertigt man jedoch einen Schliff an, d. h., wird durch Schleifen und Polieren eine möglichst ideal ebene und saubere Fläche angearbeitet und durch geeignete Chemikalien angeätzt, so erkennt man bei einer Betrachtung im Auflichtmikroskop das Gefüge. Im Schliffquerschnitt, d. h. in dem optischen Ausschnitt, der durch das Mikroskop vergrößert zu sehen ist, erkennt man Körner (Kristallite) verschiedener Art und Orientierung, Korngrenzen und dazwischenliegende Korngrenzensubstanz. Art und Größe der Kristallite bestien sehr stark die Eigenschaften der metallischen Stoffe. Die chemische Zusaensetzung allein ist für die Beurteilung der Werkstoffe nicht ausreichend. Die Entstehung und der Aufbau des Gefüges spielen in diesem Kapitel eine große Rolle. In diesem Kapitel sollen Kristalleigenschaften, insbesondere durch eine Gegenüberstellung idealer und realer Struktur, deutlich gemacht werden. homogen = einheitlich, gleiche Beschaffenheit Wechselwirkung zwischen Atomen Aufbau der Atome: Jedes Atom besteht aus einem Kern (Atomkern) und einer ihn umschließenden Hülle (Elektronenhülle). Bild zeigt eine Modellvorstellung in stark vereinfachter Form. Wissenschaftler nennen Atomkern und Elektronenhüllen zwei Energiebereiche des Atoms. Im Kern existieren die positiv geladenen Protonen und die elektrisch neutralen Neutronen. Hauptquantenbahnen 1, 2, 3, 4 usw. (Elektronenschalen) oder K, L, M, N usw. Nebenquantenbahnen s, p, d, f (Unterschalen) Bild Atomaufbau (schematisch)

14 1.1 Metallbindung und Gitterstruktur 21 Ursachen der Wechselwirkungen: Die Grundeigenschaften der Elemente hängen von der Anzahl und der Anordnung der Elektronen ab. Sie nehmen zunächst energiearme Zustände ein. Der Energiegehalt eines Elektrons lässt sich in seiner relativen Lage zum Kern durch die Haupt- und Nebenquantenbahnen (auch Elektronenschalen genannt) beschreiben. Chemische Bindung: Bei Elektronenabgabe bzw. -aufnahme entstehen Atomrümpfe mit elektropositiver bzw. elektronegativer Ladung (Ionen). Ladungsunterschiede lassen elektrostatische Kräfte entstehen, die für die Bindung (= Zusaenhalt des Stoffes durch das sich aufbauende Kraftfeld) zwischen den Ionen verantwortlich sind. Nach der Art der Zusaenlagerung werden typische Bindungsarten unterschieden, die durch verschiedene Zwischenformen nahezu stufenlos ineinander übergehen. Bildung von Ionen: Elektronenabgabe: Atomrumpf elektropositiv (Kation) Anzahl der Protonen > Anzahl der Elektronen Elektronenaufnahme: Atom elektronegativ (Anion) Anzahl der Elektronen > Anzahl der Protonen Mit steigender Kernladungszahl (= Anzahl der Protonen) und damit zunehmender Anzahl von Elektronen werden auch energiereichere Schalen besetzt. Zu einer hohen Stabilität kot es, wenn Haupt- und Nebenquantenbahnen vollständig besetzt sind (bei den Edelgasen: Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon). Man spricht von Edelgaskonfiguration. Edelgase sind reaktionsträge und ermöglichen keine stabilen chemischen Verbindungen. Alle anderen Elemente streben einen möglichst stabilen Zustand an. Konfiguration = bestite Anordnung von Teilchen (Elektronen) Edelgaskonfiguration = Edelgaszustand Bild Kraftwirkungen zwischen zwei Atomen (schematisch) r 0 Bindungslänge, die sich bei einer resultierenden Kraft (gestrichelte Kurve) F ges = 0 einstellt. Es herrscht Gleichgewicht zwischen Anziehung und Abstoßung. Jede Schale kann nur eine bestite Anzahl von Elektronen enthalten: 1. Schale: = 2 2. Schale: = 8 3. Schale: = 18 usw. Werkstoffeigenschaften werden fast ausschließlich durch die Atomhülle bestit.

15 22 1 Struktur und Eigenschaften der Metalle Infolge dieses Strebens geben teilweise besetzte Schalen leicht Elektronen ab (trifft für Metalle zu) oder nehmen von anderen Atomen Elektronen auf. Die Differenz zwischen der Normalzahl der Elektronen in der äußeren Schale und dem stabilen Zustand abgeschlossener Schalen bezeichnet man als Wertigkeit (Valenz) des Elements. Sie drückt aus, welches gegenseitige Bindungsvermögen der Elemente miteinander besteht. Bei sehr stabilen Bindungen, die auf Elektronenaustausch oder -paarbildung beruhen, spricht man von Hauptvalenzbindungen. Die Ionenbindung entsteht durch den Übergang von Elektronen (Bild 1.1 3a). Sie ist zwischen einem elektropositiven und einem elektronegativen Element möglich. Die meisten anorganischen Stoffe haben diese Bindungsart. Die Ionenbindung wird auch Elektrovalenz genannt. Ursache der chemischen Bindung: Jedes Atom hat das Bestreben, die äußere Elektronenschale in einen stabilen Zustand, den so genannten Edelgaszustand (= Edelgaskonfiguration) zu bringen. Dies geschieht durch Elektronenpaarbildung, Elektronenabgabe oder -aufnahme. Wertigkeit (Valenz) = Anzahl der Einfachbindungen, die ein Atom eines Elementes eingehen kann Die Atombindung (Bild 1.1 3b) kot dadurch zustande, dass Elektronenpaare durch zwei Atome gemeinsam benutzt werden. Es ist die typische Bindungsart organischer Stoffe. Bild Chemische Bindungen a) Entstehung der Ionenbeziehung (Elektrovalenz) am Beispiel von NaCl (Kochsalz) b) Die Atombindung (Elektronenpaarbindung) liegt in einfacher Form beim Chlor-Molekül Cl 2 vor.

16 1.1 Metallbindung und Gitterstruktur 23 Hauptvalenzbindungen: Ionenbindung (elektrostatische Anziehung von Kat- und Anionen), z. B. Alkalimetallverbindungen, Halogenverbindungen homöopolare Atombindung (Elektronenpaarbindung), z. B. Diamant, Moleküle der Halogenide (z. B. Cl 2 ) polare Atombindung (Verschiebung der Elektronenpaare zum elektronegativen Atom), z. B. organische Verbindungen (zwischen Cl- und C-Atomen im PVC) Metallbindung (Anziehung von frei beweglichen Elektronen im Elektronengas und den Metallionen) Der Vergleich lässt erkennen, dass die Grundeigenschaften der Stoffe durch die Art der chemischen Bindung bestit werden. Je nach dem chemischen Charakter sind folgende Kombinationen möglich: Nichtmetall + Nichtmetall Atombindung, nicht leitend Nichtmetall + Metall Ionenbindung, schwach leitend Metall + Metall Metallbindung, gut leitend Für die Metallbindung ist charakteristisch: Metalle besitzen durchweg wenig Außenelektronen (Valenzelektronen). Edelgaskonfiguration wird durch das Abstoßen von Valenzelektronen erreicht. Zwischen den Metallionen (+) und den freien Elektronen (man spricht auch von Elektronengas, Elektronenwolke) besteht eine intensive Kraftwirkung, es entsteht das Metallgitter. hohe Festigkeit, gute Verformbarkeit, sehr gute Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität, teilweise hohe Schmelz- und Verdampfungstemperaturen. Tabelle Vergleich der Grenzfälle Atombindung und Ionenbindung Nichtmetall + Nichtmetall Atombindung Metall + Nichtmetall Ionenbindung Art der Bindung Prinzip Elektronenpaar Abgabe und Aufnahme von Elektronen Thermisches Verhalten Elektrische Eigenschaften niedrige Schmelz- und Siedepunkte Isolator Beispiel CH 4 NaCl hohe Schmelzund Siedepunkte Ionenleiter Wir merken uns über die Metallbindung: Metalle haben wenige Elektronen auf der äußeren Schale des Atoms. Elektronen werden abgegeben (Streben nach Edelgaskonfiguration). Beispiel: Ȧl Al e Ion Elektronengas + } {{ } Gitterstruktur