Es gibt keine einheitliche, einfache Definition für ein Metall. Im Allgemeinen wird jedoch jedes chemische Element, das „metallische Eigenschaften“ aufweist, als Metall klassifiziert. Zu den typischen Eigenschaften von Metallen zählen Glanz, gute Wärme- und elektrische Leitfähigkeit sowie die Fähigkeit, bei Raumtemperatur dauerhaft geformt oder verformt zu werden. Gerade die große Vielfalt dieser Eigenschaften von Metallen macht sie für so viele verschiedene Anwendungen im Alltag geeignet.
Chemische Elemente, denen diese typischen Metalleigenschaften fehlen, werden als Nichtmetalle klassifiziert. Eine kleine Anzahl von Elementen, die als Halbmetalle bezeichnet werden, verhält sich manchmal wie ein Metall und manchmal wie ein Nichtmetall. Beispiele für diese Zwischengruppe sind Kohlenstoff, Phosphor, Silizium und Schwefel.
Die unterschiedlichen Eigenschaften von Metallen lassen sich durch das Vermischen von zwei oder mehr Metallen kombinieren, wodurch eine Substanz entsteht, die als Legierung bezeichnet wird. Da reine Metallelemente oft zu weich sind, um praktisch genutzt werden zu können, konzentriert sich ein Großteil der Metallurgie auf die Entwicklung nützlicher Legierungen. Durch die Herstellung einer Legierung mit einer bestimmten Zusammensetzung ist es möglich, eine bestimmte Metalleigenschaft oder eine Reihe von Eigenschaften für eine vorgegebene Anwendung zu erzielen.
Stahl beispielsweise ist eine Legierung aus Eisen mit geringen Anteilen an Kohlenstoff und anderen Elementen. Andere Legierungen wie Messing (Kupfer und Zink) und Bronze (Kupfer und Zinn) lassen sich leicht formen und haben ein ansprechendes Aussehen. Bronze wird zudem häufig im Schiffbau verwendet, da sie gegen Korrosion durch Meerwasser beständig ist.
Die Eigenschaften der einzelnen Metalle und Legierungen bestimmen, wo sie jeweils zum Einsatz kommen. Titan ist wesentlich leichter und hat eine geringere Dichte als Stahl, ist aber ebenso fest. Im Vergleich zu Aluminium ist es zwar schwerer, aber doppelt so fest. Titan ist zudem äußerst korrosionsbeständig, und all diese metallischen Eigenschaften zusammen machen es zu einem hervorragenden Werkstoff. Titanlegierungen kommen in Flugzeugen, Schiffen und Raumfahrzeugen sowie in Farben, Fahrrädern und sogar Laptops zum Einsatz.
Kupfer ist ein guter Stromleiter und formbar, weshalb es häufig für Elektrokabel verwendet wird. Gold und Silber sind sehr formbar, dehnbar und weitgehend chemisch inaktiv, was sie ideal für filigranen Schmuck macht. Gold eignet sich besonders gut für diesen Zweck, da es nicht anläuft und zudem für oxidationsfreie elektrische Verbindungen verwendet werden kann.
Eisen und Stahl sind sowohl hart als auch fest, weshalb sie zum Bau von Brücken und Gebäuden verwendet werden. Ein Nachteil von Eisen ist, dass es zum Rosten neigt, und obwohl die meisten Stähle ebenfalls rosten, können sie so hergestellt werden, dass sie rostfrei sind. Aluminium ist ein guter Wärmeleiter und formbar, was es für Kochtöpfe und Folie sowie – dank seines sehr geringen Gewichts – für Flugzeugkarosserien geeignet macht.
Die Materialauswahl gewinnt in anspruchsvollen Umgebungen besonders an Bedeutung. Edelstahl und verzinkter Stahl kommen dort zum Einsatz, wo Korrosionsbeständigkeit unerlässlich ist, während Aluminium- und Magnesiumlegierungen für Anwendungen gewählt werden, die sowohl Festigkeit als auch geringes Gewicht erfordern.
Für besonders aggressive Bedingungen werden Kupfer-Nickel-Legierungen wie Monel in stark korrosiven Umgebungen und für nichtmagnetische Anwendungen eingesetzt. Superlegierungen auf Nickelbasis wie Inconel kommen in Hochtemperaturanwendungen zum Einsatz, darunter Turbolader, Druckbehälter und Wärmetauscher. Bei extrem hohen Temperaturen werden Einkristalllegierungen verwendet, um das Kriechen zu minimieren.
Abbildung 1: Zusammenhang zwischen Metalleigenschaften, Leistungsvorteilen und technischen Anwendungen
Eigenschaften geben Aufschluss darüber, wie sich ein Metall verhält, aber sie lassen sich am besten verstehen, wenn man weiß, woher sie stammen und wie sie genutzt werden. Die anderen Leitfäden unserer Metall-Reihe runden das Bild ab. „Metallzusammensetzung“ erklärt, wie die chemische Zusammensetzung eines Werkstoffs dessen Eigenschaften überhaupt erst bestimmt, und „Metallgüten“ zeigt, wie diese Werkstoffe in die Güteserien eingeteilt werden, die Sie tatsächlich spezifizieren und kaufen. Um zu erfahren, wie die Anforderungen an einen Werkstoff festgehalten und formell vereinbart werden, lesen Sie „Metallspezifikationen“ und „Metallnormen“, die sich mit den definierenden Dokumenten und den dahinterstehenden Systemen befassen. Schließlich erklärt „Metalläquivalente und Querverweise“, wie eine Güteklasse in einem System ihrem Äquivalent in einem anderen System zugeordnet wird – was direkt auf den hier beschriebenen Eigenschaften beruht.
Zu den typischen Eigenschaften von Metallen zählen Glanz, gute Wärme- und elektrische Leitfähigkeit sowie die Fähigkeit, bei Raumtemperatur dauerhaft geformt oder verformt zu werden. Die Unterschiede zwischen diesen Eigenschaften machen verschiedene Metalle für unterschiedliche Anwendungen geeignet.
Metalle weisen typische metallische Eigenschaften auf, während Nichtmetalle diese nicht besitzen. Halbmetalle sind Elemente, die sich mal wie ein Metall und mal wie ein Nichtmetall verhalten und somit eine Zwischenstellung zwischen beiden einnehmen.
Reine Metalle sind für den praktischen Einsatz oft zu weich. Durch die Kombination von zwei oder mehr Metallen entsteht eine Legierung, deren Zusammensetzung so angepasst werden kann, dass sie eine bestimmte Eigenschaft oder eine Kombination von Eigenschaften für eine bestimmte Anwendung aufweist. Stahl, Messing und Bronze sind gängige Beispiele dafür.
Edelstahl und verzinkter Stahl kommen häufig dort zum Einsatz, wo Korrosionsbeständigkeit eine wichtige Rolle spielt. Bronze ist beständig gegen Meerwasserkorrosion und wird häufig im Schiffbau verwendet, während Kupfer-Nickel-Legierungen wie Monel in stark korrosiven Umgebungen gute Eigenschaften aufweisen.
Superlegierungen auf Nickelbasis wie Inconel kommen in Hochtemperaturanwendungen wie Turboladern, Druckbehältern und Wärmetauschern zum Einsatz. Bei extrem hohen Temperaturen werden Einkristalllegierungen verwendet, um das Kriechen zu minimieren.
Titan vereint eine geringe Dichte mit hoher Festigkeit und ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit. Es ist leichter als Stahl, aber vergleichbar fest und etwa doppelt so fest wie Aluminium, weshalb es in Flugzeugen, Schiffen, Raumfahrzeugen, Fahrrädern und vielen anderen Produkten zum Einsatz kommt.