Glauben Sie, dass alle Metalle „silberweiß“ sind? falsch! Tatsächlich sind sie alle „schwarz“!

Seit dem späten 20. Jahrhundert ist die Gesellschaft in das Zeitalter der Informatisierung, Globalisierung und des Wissens aus dem Industriezeitalter eingetreten. Mit der Entwicklung der gesellschaftlichen Produktivität ist auch der Materialbedarf kontinuierlich gestiegen. Gleichzeitig haben sich aufgrund der rasanten wissenschaftlichen Entwicklung und der ausgereiften Materialproduktionstechnologie auch andere Werkstoffarten rasant weiterentwickelt, doch der Status metallischer Werkstoffe als wichtigstes Struktur- und Funktionsmaterial war schon immer schwer zu erschüttern.

Unter den verschiedenen Materialien kann man sagen, dass Metall die Rolle einer „Säule“ spielt. Schauen Sie sich um, und Sie werden bestimmt etwas finden, das aus Metall besteht oder bei dessen Herstellung jemand mitgewirkt hat. Das anschaulichste Beispiel ist das Mobiltelefon, ohne das niemand leben kann. Ohne Metall wird es zu einem nutzlosen Ziegelstein.

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Schwarz ist buntes Schwarz

Welche Bilder kommen Ihnen in den Sinn, wenn Sie an Metall denken? Ist es die glitzernde Goldkette oder die metallisch glänzenden Töpfe und Pfannen? Ich weiß nicht, ob Ihnen aufgefallen ist, dass wir Metal, wenn wir es erwähnen, nie mit Schwarz in Verbindung bringen, aber „Black Metal“ ist tatsächlich eine wichtige Kategorie von Metal!

Das Wort „schwarz“ kann leicht zu der Annahme verleiten, dass Eisenmetalle schwarz und Nichteisenmetalle bunt sein müssen. Auf dieser Grundlage sind viele Menschen der Meinung, dass das silberweiße Eisen, Chrom und silbergraue Mangan keine „schwarzen“ Metalle sein sollten. Warum also sollten die drei und ihre Legierungen als Eisenmetalle klassifiziert werden?

Der Grund dafür ist folgender: Eisenmetalle sind in der Industrie ein Sammelbegriff für Eisen, Chrom und Mangan und umfassen auch Legierungen dieser drei Metalle. Tatsächlich sind reines Eisen und Chrom silberweiß, während Mangan silbergrau ist. Da die Oberfläche von Stahl normalerweise mit einer Schicht aus schwarzem Ferroferricularoxid bedeckt ist und Mangan und Chrom hauptsächlich zum Schmelzen von schwarzem legiertem Stahl verwendet werden, werden sie fälschlicherweise als „schwarze“ Metalle angesehen.

Stahl und Gold stehen für Eisenmetalle bzw. Nichteisenmetalle. Urheberrechtlich geschützte Bilder aus der Galerie. Die Vervielfältigung ist nicht gestattet.

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Der Kampf zwischen den beiden großen Metal-Schulen

Die offizielle Definition eines Metalls lautet: „Ein Material mit strahlendem Glanz, guten elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften und einem positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands.“

Metal ist eine große Familie mit insgesamt 86 Mitgliedern. Normalerweise werden sie nach ihren Merkmalen wie Farbe und Eigenschaften in zwei „Schulen“ eingeteilt: Eisenmetalle und Nichteisenmetalle. Unter Eisenmetallen versteht man hauptsächlich Eisen, Chrom, Mangan und deren Legierungen wie Stahl, Roheisen, Eisenlegierungen, Gusseisen usw. Unter Nichteisenmetallen versteht man andere Metalle als Eisenmetalle, auch Nichteisenmetalle genannt, was ein allgemeiner Begriff für alle Metalle außer Eisen, Chrom und Mangan ist.

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Die beiden haben nicht nur unterschiedliche Namen, auch ihre Produktionsmengen unterscheiden sich erheblich! Aufgrund der großen Vielfalt der Nichteisenmetalle ist die Zahl ihrer Mineralvorkommen wesentlich größer als die der Eisenmetalle. Obwohl es nur wenige Eisenmetallvorkommen gibt, ist die Produktion jedes Vorkommens sehr groß, sodass die Gesamtproduktion an Eisenmetallen 95 % der weltweiten Metallproduktion erreicht! Darüber hinaus sind Eisen, Chrom und Mangan die wichtigsten Rohstoffe für die Stahlverhüttung. Stahl nimmt in der Volkswirtschaft eine äußerst wichtige Stellung ein und kann auch als wichtiges Symbol zur Messung der Stärke eines Landes verwendet werden.

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Interessante Herkunft des Namens

Die englische Übersetzung von „non-ferrous metals“ lautet „Nonferrous Metals“, was der englischen Übersetzung von „ferrous metals“, „Ferrous Metals“, entspricht. Laut einem alten Mann, der seit langer Zeit in der Nichteisenmetallindustrie arbeitet, ist auch der Prozess der Übersetzung von „Ferrous Metals“ und „Nonferrous Metals“ in „Black Metals“ und „Nonferrous Metals“ eine interessante Geschichte.

Die Wissenschaftler, die „Eisenmetalle“ und „Nichteisenmetalle“ erstmals übersetzten, waren der Ansicht, dass eine direkte Übersetzung als „Eisenmetalle“ und „Nichteisenmetalle“ bzw. „Eisenmetalle“ und „Nichteisenmetalle“ zwar auf Genauigkeit achtete, jedoch nicht präzise genug und zudem sehr schwer zu verwenden sei. Dieser Gelehrte löste sich also von seinem konventionellen Denken und ging von den optischen Eigenschaften der Metalle aus, um das Konzept in übertragener Form neu zu erschaffen.

Reines Eisen ist silberweiß, aber das Eisen, das die Menschen bei ihrer täglichen Arbeit und in ihrem Leben oft sehen, ist schwarz. Dies liegt daran, dass die Oberfläche des Eisens mit einem schwarzen Oxidfilm bedeckt ist: Ferroferricularoxid. Gerade aufgrund dieser Oxidschicht erweckt Eisen auf den Menschen den Eindruck, schwarz zu sein. Aus dieser Perspektive wurde „Ferrous Metals“ kreativ als „schwarze Metalle“ übersetzt.

Rostiger Stahl und reiner Stahl. Bildquelle: Forschungsabteilung für fortschrittliche Stahlmaterialien, Institut für Metallforschung, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Angesichts der Existenz von „Eisenmetallen“ und der Tatsache, dass Silber weiß, Gold golden, Kupfer gelb und Blei grau ist, haben „Nichteisenmetalle“ farbenfrohe optische Eigenschaften, sodass „Nichteisenmetalle“ mit „Nichteisenmetalle“ übersetzt wird. Von da an wurden aus „Ferrous Metals“ und „Nonferrous Metals“ im Chinesischen „Ferrous Metals“ und „Nonferrous Metals“ und verbreiteten sich in der Branche.

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Metall, das Rückgrat der gesellschaftlichen Entwicklung

Man kann sagen, dass Metallmaterialien die treibende Kraft hinter der Entwicklung der menschlichen Gesellschaft sind, da sie in jeder Übergangsphase der menschlichen Gesellschaft eine entscheidende Rolle gespielt haben. In der Geschichte der menschlichen Gesellschaftsentwicklung waren sowohl die Bronzezeit als auch die Eisenzeit, die auf die Steinzeit folgten, durch die Verwendung metallischer Werkstoffe gekennzeichnet.

Bronzenes Dreibein mit Tiergesichtsmuster. Bildquelle: Palastmuseum

Nach dem Zweiten Weltkrieg förderte der Fortschritt in Wissenschaft und Technik die Entwicklung neuer Materialien. Sphäroguss, legiertes Gusseisen, legierter Stahl, hitzebeständiger Stahl, Edelstahl, Nickellegierungen, Titanlegierungen und Hartmetall wurden sukzessive entwickelt und in der tatsächlichen Produktion eingesetzt.

In der heutigen Zeit beschränkt sich die Forschung und Entwicklung metallischer Werkstoffe nicht mehr auf die traditionellen reinen Metalle und reinen Legierungen. Mit der Verbesserung der Grundlagentheorie und der Prozesstechnologie haben sich schnell neue Metallmaterialien entwickelt. Hierzu zählen Nanometalle, Legierungen mit hoher/mittlerer Entropie, Hochtemperatur-Strukturmaterialien wie gerichtet erstarrte Säulenkristalle und Einkristalllegierungen, Metallmatrix-Verbundwerkstoffe und Formgedächtnislegierungen [1-4].

Verschiedene metallische Werkstoffe sind zu einer wichtigen materiellen Grundlage für die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft geworden. Die Modernisierung der Landwirtschaft, die Modernisierung der Industrie, die Landesverteidigung sowie die Modernisierung der Wissenschaft und Technologie sind allesamt auf die Unterstützung durch metallische Werkstoffe angewiesen. Von kleinen landwirtschaftlichen Geräten, Maschinenteilen und Alltagsgegenständen bis hin zu großen modernen Waffen wie Flugzeugen, Raketen, Satelliten, Atom-U-Booten sowie Komponenten oder Teilen, die für Spitzentechnologien wie Atomenergie, Fernsehen, Kommunikation, Radar und elektronische Computer benötigt werden, bestehen die meisten aus Metall.

Derzeit konkurrieren viele Länder der Welt, insbesondere die Industrieländer, um die Entwicklung der Metall- und Nichteisenmetallindustrie und die Erhöhung der strategischen Metallreserven. Man kann sagen, dass Metallmaterialien wesentliche Grundmaterialien und wichtige strategische Materialien für die Volkswirtschaft, das tägliche Leben der Menschen, die nationale Verteidigungsindustrie sowie die wissenschaftliche und technologische Entwicklung sind.

Quellen:

[1] K. Lu, Starke Nanomaterialien durch Gradienten duktil machen, Science 345(6203) (2014) 1455-1456.

[2] W. Xu, B. Zhang, XY Li, K. Lu, Unterdrückung atomarer Diffusion mit der Schwarz-Kristallstruktur in übersättigten Al–Mg-Legierungen, Science 373(6555) (2021) 683-687.

[3] Q. Pan, L. Zhang, R. Feng, Q. Lu, K. An, AC Chuang, JD Poplawsky, PK Liaw, L. Lu, Gradientenzellstrukturierte Hochentropielegierung mit außergewöhnlicher Festigkeit und Duktilität, Science 374(6570) (2021) 984-989.

[4] P. Shi, R. Li, Y. Li, Y. Wen, Y. Zhong, W. Ren, Z. Shen, T. Zheng, J. Peng, X. Liang, P. Hu, N. Min, Y. Zhang, Y. Ren, PK Liaw, D. Raabe, Y.-D. Wang, Hierarchische Risspufferung verdreifacht die Duktilität in eutektischen Fischgrätenlegierungen mit hoher Entropie, Science 373(6557) (2021) 912-918.

Quelle: Dieser Artikel wurde von Science Popularization China erstellt, von Liu Tengyuan (Institut für Metallforschung, Chinesische Akademie der Wissenschaften) produziert und von der China Science Popularization Expo betreut.

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