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Härte

Härte

Härte ist der mechanische Widerstand, den ein Körper dem Eindringen eines anderen, härteren Körpers entgegensetzt. Die Härte eines Körpers lässt Rückschlüsse auf vielerlei Eigenschaften zu, wobei sich diese nach der Art des Körpers richten. Ein Beispiel ist das Verschleißverhalten. Harte Brillengläser verkratzen weniger, harte Zahnräder nutzen langsamer ab. Bei der Auswahl von Werkzeugschneiden wie Fräskopf oder Drehmeißel ist die Härte von besonderer Bedeutung, denn harte Schneiden bleiben länger scharf. Eine Anwendung und je nach fachlichem Schwerpunkt andere Akzentsetzung findet der Begriff der Härte in der Festkörperphysik, der Materialwissenschaft bei der Analyse von Werkstoffen und in den Geowissenschaften bei der Charakterisierung von Gesteinen und Mineralen. Beide überschneiden sich diesbezüglich jedoch auch mit den Ingenieurswissenschaften, wobei die Härte vor allem in der Ingenieurgeologie eine größere Rolle spielt.

Härte und Festigkeit

Die Härte eines Werkstoffs ist eine Oberflächeneigenschaft und hat daher nur bedingt etwas mit der Festigkeit des Werkstoffs zu tun, auch wenn diese die Prüfverfahren zur Härtemessung, die auf der Eindringtiefe verschiedener Prüfkörper beruhen, beeinflusst. Der Einfluss der Festigkeit kann durch die Messung auf dünnen Filmen zwar reduziert, aber nicht völlig vermieden werden. In bestimmten Fällen steht die Härte eines Werkstoffs allerdings in einem umwertbaren Zusammenhang zur Werkstoff-Festigkeit. Dann kann durch die verhältnismäßig preiswerte Härteprüfung eine meist viel aufwendigere Zugprüfung ersetzt werden. Von praktischer Bedeutung ist die Möglichkeit, eine Umwertung der Brinell- oder Vickershärte auf die Zugfestigkeit von Baustählen vorzunehmen. Bei Prüfungen an Stahlkonstruktionen ermöglicht es dies, eventuelle Materialverwechslungen nachzuweisen.

Härteprüfung und Härteskalen

Die Härte lässt sich nur durch den Vergleich von mehreren Werkstoffen oder Werkstoffzuständen ermitteln.

Härteprüfung nach Mohs

Harte Werkstoffe ritzen weiche. Diese Einsicht ist Grundlage der Härteprüfung nach Friedrich Mohs. Mohs, ein Geologe, ritzte verschiedene Minerale gegeneinander und ordnete sie so nach ihrer Härte an. Durch das exemplarische Zuordnen von Zahlenwerten für ausgewählte Minerale entstand eine relative Härteskala, die Mohs-Skala, die in der Mineralogie in weitem Gebrauch ist. Angaben zur Härte von Mineralen beziehen sich immer auf die Mohs-Skala, falls nichts anderes angegeben ist. Zum Vergleich aufgeführt ist die auch als absolute Härte bezeichnete Schleifhärte nach Rosiwal, die den Schleifaufwand des jeweiligen Stoffes charakterisiert und einen besseren Eindruck von den tatsächlichen Härteverhältnissen gibt. Beide Härteskalen sind einheitslos. Außerdem ist in der Tabelle die Härte nach dem Vickersverfahren angegeben. Sie gibt den besten Bezug auf die heute gängigen Härtemessverfahren wieder. In der Werkstoffkunde werden vor allem Prüfverfahren eingesetzt, welche die Eindringhärte messen. Dabei werden jeweils genormte Prüfkörper unter festgelegten Bedingungen in das Werkstück gedrückt. Im Anschluss wird die Oberfläche oder Tiefe des bleibenden Eindruckes gemessen.

Härteprüfung nach Brinell

Die vom schwedischen Ingenieur Johan August Brinell im Jahre 1900 entwickelte Härteprüfung kommt bei weichen bis mittelharten Metallen (DIN EN ISO 6506) wie zum Beispiel unlegiertem Baustahl oder Aluminiumlegierungen, bei Holz (ISO 3350) und bei Werkstoffen mit ungleichmäßigem Gefüge wie etwa Gusseisen zur Anwendung. Dabei wird eine Stahlkugel oder eine Hartmetallkugel mit einer festgelegten Prüfkraft in die Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes gedrückt. Nach dem letzten Stand der Normung ist eine Stahlkugel allerdings nicht mehr zulässig. Nach einer Belastungszeit von mindestens 10 Sekunden wird der Durchmesser des bleibenden Eindrucks im Werkstück gemessen und daraus die Oberfläche des Eindrucks bestimmt. Das Verhältnis von Prüfkraft zur Eindruckoberfläche multipliziert mit dem Zahlenwert 0,102 bezeichnet man als die Brinellhärte. Bei Einsatz einer Hartmetallkugel wird der Härtewert mit HBW, bei einer Stahlkugel wurde er mit HBS gekennzeichnet. Eine Abwandlung der klassischen Brinellprüfung ist die Prüfung mit dem Poldihammer. Hierbei wird der Eindruck der Kugel durch einen undefinierten Hammerschlag von Hand erzeugt, wobei die Kugel rückseitig auch in einen Metallstab mit definierter Härte eindringt. Aus dem Verhältnis der beiden Eindruckdurchmesser wird dann die Härte des Prüflings ausgerechnet. Diese Methode hat den Vorteil, dass mit ihr beliebig gelagerte Prüflinge und verbaute Bauteile vor Ort geprüft werden können. Die auf diese Weise ermittelten Härtewerte stimmen zwar nicht exakt mit den statisch ermittelten Härtewerten überein, für die in der Industrie gestellten Ansprüche sind sie jedoch in den meisten Fällen ausreichend. Die Bezeichnung „Poldi“ stammt vom gleichnamigen Stahlwerk im tschechischen Kladno, wo diese Prüfmethode entwickelt wurde. Bei un- und niedriglegierten Stählen kann aus der Brinellhärte mit gewisser Toleranz die Zugfestigkeit des Werkstoffes abgeleitet werden.

Härteprüfung nach Vickers

Der Brinellprüfung sehr ähnlich ist die im Jahr 1925 von Smith und Sandland entwickelte und nach der britischen Flugzeugbaufirma Vickers benannte Härteprüfung, die zur Prüfung harter und gleichmäßig aufgebauter Werkstoffe dient, aber auch zur Härteprüfung an dünnwandigen oder oberflächengehärteten Werkstücken und Randzonen eingesetzt wird. Sie ist in der Norm nach DIN EN ISO 6507 geregelt. Im Gegensatz zur Rockwellprüfung wird eine gleichseitige Diamantpyramide mit einem Öffnungswinkel von 136° unter einer festgelegten Prüfkraft in das Werkstück eingedrückt. Aus der mittels eines Messmikroskops festgestellten Länge der Diagonalen des bleibenden Eindrucks wird die Eindruckoberfläche errechnet. Das Verhältnis von Prüfkraft in der Einheit Newton zur Eindruckoberfläche ergibt mit dem Faktor 0,1891 multipliziert die Vickershärte (HV). Die Festigkeitsklassen 14H, 22H, 33H und 45H erhält man durch Division durch 10, sie entsprechen also Vickershärten HV (min.) von 140, 220, 330 und 450. Für Prüfungen vor Ort sind tragbare Geräte erhältlich, die magnetisch oder mechanisch auf dem Prüfstück befestigt werden. Anwendung findet die Vickershärte beispielsweise in der Angabe „45H“ bei Gewindestiften mit Innensechskant oder „14H“ und „22H“ bei Gewindestiften mit Schlitz.

Härteprüfung nach Knoop

Eine Sonderform der Vickers-Härteprüfung ist die nach dem amerikanischen Physiker und Ingenieur Frederick Knoop benannte Härteprüfung (DIN EN ISO 4545 - Metallische Werkstoffe - Härteprüfung nach Knoop). Die in der Vickers-Prüfung gleichseitige Diamantspitze hat in der Knoop-Prüfung eine rhombische Form. Die Spitzenwinkel betragen 172,5° für die lange und 130° für die kurze Seite. Es wird nur die lange Diagonale des Eindrucks ausgemessen. Die Knoop-Prüfung findet häufig Anwendung bei spröden Materialien wie zum Beispiel Keramik oder Sinterwerkstoffen, bei der Härtemessung an Schichtsystemen stellt sie die genaueste Messmethode dar.

Härteprüfung nach Rockwell

Es existieren mehrere von dem amerikanischen Ingenieur und Firmengründer Stanley Rockwell im Jahre 1920 entwickelte Härteprüfverfahren, die für bestimmte Einsatzbereiche spezialisiert sind. Die unterschiedlichen Verfahren werden mit HR und einer anschließenden Kennung gekennzeichnet; Beispiele für eine Rockwellbezeichnung sind HRA, HRB, HRC oder HR15N. Die Rockwellhärte HRC eines Werkstoffes ergibt sich etwa nach der Norm DIN EN ISO 6508 aus der Eindringtiefe eines kegelförmigen Prüfkörpers aus Diamant. Mit einer festgelegten Prüfkraft wird dieser Kegel mit 120° Spitzenwinkel in die Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes vorbelastet. Die eingedrungene Tiefe des Eindringkörpers dient als Bezugsebene. Danach wird der Eindringkörper mit der Hauptlast belastet und diese maximal sechs Sekunden gehalten. Anschließend wird die Hauptlast wieder entfernt, so dass nur noch die Vorlast wirksam ist. Die Differenz der Tiefen vor und nach Auflegen der Hauptlast ist das Maß für die Rockwellhärte des Werkstoffes. Die Eindringtiefe des Diamantkegels wird direkt mit einer Messuhr, die mit dem Prüfspitze verbunden ist, festgestellt. Auf der Skala der Uhr kann man die Härtewerte in Rockwelleinheiten (HRC) unmittelbar ablesen. Dieses Prüfverfahren kommt vor allem bei sehr harten Werkstoffen zum Einsatz. Als weitere Rockwelleindringköper werden Hartmetallkugeln mit einem Durchmesser von 1,5875 Millimetern (HRB, HRF, HRG) oder 3,175 Millimetern (HRE, HRH und HRK) verwendet. Die Rockwellprüfung ist sehr schnell, stellt aber hohe Ansprüche auf die Einspannung des Prüflings im Prüfgerät. Sie ist ungeeignet für Prüflinge, die im Prüfgerät elastisch nachgeben, zum Beispiel Rohre.

Härteprüfung nach Shore

Die Shore-Härte, benannt nach Albret Shore, ist ein Werkstoffkennwert für Elastomere und Kunststoffe und ist in den Normen DIN 53505 und DIN 7868 festgelegt. Der Shore-Härte-Prüfer für Gummi und ähnliche Werkstoffe besteht aus einem federbelasteten Stift, dessen Elastizität beim Eindringen in die Probe ein Maß für die entsprechende Shore-Härte des Materials ist, die auf einer Skala von 0 Shore (2,5 Millimeter Eindringtiefe) bis 100 Shore (0 Millimeter Eindringtiefe) gemessen wird. Eine hohe Zahl bedeutet eine große Härte. Bei einem Shore-Härteprüfgerät ist eine Zusatzeinrichtung notwendig, die die zu messende Probe mit einer Kraft von 12,5 Newton bei Shore-A bzw 50 Newton bei Shore-D auf den Messtisch andrückt. Bei der Bestimmung der Shore-Härte spielt die Temperatur eine höhere Rolle als bei der Härtebestimmung metallischer Werkstoffe. Deshalb wird hier die Solltemperatur von 23 °C auf das Temperaturintervall von ± 2 °C beschränkt. Die Materialdicke sollte im Bereich von 0 bis 50 Shore mindestens 9 Millimeter, bei härteren Substanzen mindestens 6 Millimeter betragen.
- Shore-A wird angegeben bei Weichelastomeren nach Messung mit einer Nadel mit abgestumpfter Spitze. Die Stirnfläche des Kegelstumpf hat einen Durchmesser von 0,79 Millimetern, der Öffnungswinkel beträgt 35°.
- Shore-D wird angegeben bei Zähelastomeren nach Messung mit einer Nadel, die mit einem 30° Winkel zuläuft und nicht abgestumpft ist. Siehe auch: Kohäsion

Die Martens-Härte

Das Martens-Härteverfahren ist nach dem deutschen Physiker Adolf Martens benannt worden und wird auch instrumentierter Eindringversuch genannt. Im Jahre 2003 wurde die Universalhärte in Martenshärte umbenannt. Das Verfahren ist in der DIN EN ISO 14577 (Metallische Werkstoffe - Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter) genormt. Bei diesem Verfahren wird während der Belastung- und Entlastungsphase kontinuierlich die Kraft und die Eindringtiefe gemessen. Die Martenshärte (HM) wird definiert als das Verhältnis der Maximalkraft zu der dazugehörigen Kontaktfläche und wird in der Einheit Newton pro Quadratmillimeter angegeben. Anders als bei den Vickers- oder dem Brinellverfahren wird nicht nur das plastische Verhalten des Werkstoffes bestimmt, sondern es können aus der gewonnenen Messkurve auch weitere Werkstoffparameter wie zum Beispiel der Eindringmodul, das Eindringkriechen sowie plastische und elastische Verformungsarbeiten bestimmt werden. Als Eindringkörper sind folgende Formen am gebräuchlichsten: die Vickerspyramide (siehe Vickersverfahren), eine Hartmetallkugel, ein kugeliger Diamant-Eindringkörper und der Berkovich-Eindringkörper. Der Berkovich-Eindringkörper ist eine Diamantpyramide mit einer gleichseitigen dreieckigen Grundfläche. Der Öffnungswinkel der Pyramide beträgt 65°. Die Umrechnung der Eindringtiefe zur Kontaktoberfläche muss für jede Eindringkörperform bestimmt werden. Die Kontaktfläche wird für die Vickers- und Berkovich-Pyramide durch das Produkt aus dem Quadrat der Eindringtiefe und der Konstanten 26,43 errechnet.

Spezielle Härteprüfverfahren

Daneben sind einige spezielle Härteprüfverfahren üblich:
- die Universalhärteprüfung ist im Jahre 2003 in Martenshärte umbenannt worden und in der Norm DIN EN ISO 14577 (Metallische Werkstoffe - Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter) genormt
- der Kugeleindruckversuch für Kunststoffe

Maßeinheiten

Die Mohssche Härte und die absolute Härte sind einheitenlose Größen. Die Härtewerte der Verfahren nach Vickers, Knoop und Brinell werden dagegen in Einheiten des Drucks angegeben; sie beziehen sich eigentlich auf die Einheit kp/mm². Mit Rücksicht auf Staaten, denen die Umstellung auf das Dezimalsystem und die Verwendung metrischer Einheiten wie N/mm² schwer fällt, behielt man nach der Streichung der Einheit Kilopond (kp) die Formeln für die Härtewerte in kp/mm², ließ jedoch fortan die Einheit weg, um weltweit vergleichbare Zahlenwerte zu erhalten.

Härten

Die Härte von Stählen kann während der Fertigung beeinflusst werden - siehe auch Härten. Oberhalb einer Härte von ungefähr 55 (Rockwellhärte HRC) entsprechend 600 (Vickershärte HV) enden in aller Regel die Möglichkeiten zur spanenden Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide von Oberflächen, also durch Drehen, Bohren oder Fräsen. Härtere Oberflächen müssen geschliffen werden, man spricht daher von Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide.

Weblinks

- [http://www.hegewald-peschke.de/06_info/leitfaden.htm Vollständiger Leitfaden zur Härteprüfung (Rockwell, Vickers, Brinell, Shore und Knoop)]
- [http://archiv.christoph-hoffmann.de/Uni/WK/Haertepruefung.pdf Zusammenfassung zu den wichtigsten Härteprüfverfahren]
- [http://www.rz.fh-ulm.de/labore/wplabor/Ausstattung/Poldihammer/poldihammer.htm Poldihammer] Kategorie:Werkstoffeigenschaft Kategorie:Mineralogie ja:硬さ

Verschleiß

Verschleiß ist die unerwünschte Veränderung der Oberfläche von Gebrauchsgegenständen durch Lostrennen kleiner Teilchen infolge mechanischer Ursachen, z.B. Reibung, bei aufeinander gleitenden Oberflächen. Er tritt zum Beispiel an Lagern, an Kupplungen, Getrieben, Düsen und Bremsen auf. Verschleiß ist einer der Hauptgründe für Bauteilschädigung und den damit verbundenen Ausfall von Maschinen und Geräten. Die Verringerung von Verschleiß ist darum eine wesentliche Möglichkeit, die Lebensdauer von Maschinen und Geräten zu erhöhen und damit Kosten und Rohstoffe einzusparen. Andererseits wird versucht, den nicht zu vermeidenden Verschleiß auf einfach auszutauschende Bauteile einzugrenzen, die man unter dem Begriff Verschleißteil zusammenfasst. Definition nach DIN 50320:
Verschleiß ist der fortschreitende Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers (Grundkörper), hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d.h. Kontakt- und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers. Das Fachgebiet, das sich mit Reibung und Verschleiß befasst, wird Tribologie genannt. Tribologie

Einflussgrößen auf Verschleiß

- Grundkörper (Werkstoff, Form, Oberfläche)
- Zwischenstoff (Art, Teilchengröße u.a.)
- Gegenkörper (Werkstoff, Form, Oberfläche)
- Belastung (Größe, zeitlicher Verlauf)
- Art der Bewegung (Gleiten, Rollen, Stoßen)
- Umgebende Atmosphäre (z.B. Luft, Schutzgas, Vakuum)
- Temperatur (Höhe, zeitlicher Verlauf) Verschleiß ist immer eine Systemeigenschaft, nicht eine Eigenschaft der beteiligten Komponenten.

Verschleißmechanismen

Verschleiß wird hauptsächlich durch vier unterschiedliche Verschleißmechanismen bestimmt:

Adhäsiver Verschleiß

Liegen sich berührende Bauteile fest aufeinander, so haften die Berührungsflächen infolge Adhäsion aneinander. Beim Gleiten werden dann Teilchen abgeschert. Es entstehen so Löcher und schuppenartige Materialteilchen, die oft an der Gleitfläche des härteren Partners haften bleiben. Diesen Verschleißmechanismus nennt man adhäsiven Verschleiß oder Haftverschleiß. Adhäsiver Verschleiß tritt bei mangelnder Schmierung auf. Adhäsiver Verscheiß entsteht, wenn Bauteile ohne Zwischenstoff gegeneinander bewegt werden oder der Zwischenstoff durch hohe Flächenpressung verdrängt wird. Bei adhäsivem Verschleiß werden Randschichtteilchen abgeschert.

Abrasiver Verschleiß

Wenn harte Teilchen eines Schmierstoffs oder Rauheitsspitzen eines der Reibungspartner, in die Randschicht eindringen, so kommt es zu Ritzung und Mikrozerspanung. Man bezeichnet diesen Verschleiß als abrasiven Verschleiß oder Furchverschleiß. Zur Vermeidung von abrasivem Verschleiß sollten Schmierstoffe überwacht und gegebenenfalls erneuert werden. Grundsätzlich kann schon bei der Konstruktion eines tribologischen Systems abrasivem Verschleiß vorgebeugt werden. Statt metallischer Paarungen sollten Metall-Kunststoff oder Metall-Keramik Parrungen bevorzugt werden. Grundsätzlich gilt das bei metallischen Paarungen ein günstiges Verhältnis (z.B. harte Carbide in zähem Zwischenstoff) zwischen Festigkeit und Zähigkeit angestrebt werden sollte. Abrasiver Verschleiß kann mit einem mechanischen Prüfverfahren über den so genannten Taber-Abraser nach ISO 9352, ASTM D 1044 oder DIN EN-Norm 438 - 2.6 bestimmt werden. Hierbei werden mit Schleifpapier versehene Räder mit einem definierten Druck gegen die rotierende Oberfläche der Proberkörpers gepresst. Messgröße ist meist der Masseverlust des Probekörpers nach einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen. Abrasiver Verschleiß ist eine Zerspanung im Mikrobereich.

Oberflächenzerrüttung

Oberflächenzerrüttung ist ein Verschleißmechanismus, der durch wechselnde mechanische Spannungen hervorgerufen wird. Folge ist eine Zerrüttung der Oberfläche, d.h. es entstehen und wachsen Mikrorisse in den oberflächennahen Werkstoffschichten. Oberflächenzerrüttung tritt zum Beispiel in Wälzlagern durch das ständige Überrollen auf. Dieser, auch Wälzverschleiß, genannte Verschleiß lässt Grübchen oder Pittings entstehen. Da Zugspannungen in der Oberfläche die Oberflächenzerrüttung fördern, können als Gegenmaßnahme Druckspannungen in die Oberfläche eingebracht werden. Geeignete Verfahren sind Nitrieren, Oxidieren oder Kugelstrahlen der Oberflächen.

Tribooxidation

Die Bildung von Zwischenschichten, z.B. Oxidschichten, infolge chemischer Reaktion und ihre Zerstörung durch Bewegung der Bauteile nennt man Tribooxidation oder Reaktionsschichtverschleiß. Er tritt fast immer zusammen mit adhäsivem Verschleiß auf. Dieser Verschleißmechanismus, der infolge chemischer Reaktion und mechanischer Zerstörung der Reaktionsschicht entsteht, ist eine tribochemische Reaktion. Ein Beispiel für Tribooxidation ist Passungsrost.

Siehe auch

- Tribologie bezeichnet das Zusammenspiel von Reibung, Verschleiß und Schmierung.
- Korrosion

Weblinks

Kategorie:Tribologie

Materialwissenschaft

Unter Materialwissenschaft versteht man eine interdisziplinäre Wissenschaft, die sich auf die Disziplinen Physik, Chemie, Ingenieurwesen, Biologie, Mineralogie und Petrologie stützt und sich mit der Erforschung, d. h. Entwurf, Herstellung, Charakterisierung und Verarbeitung von Materialien beschäftigt. In jüngster Zeit spielen auch biologische und medizinische Aspekte eine wichtige Rolle in der Materialwissenschaft. Ein wesentliches Ziel der Materialwissenschaft ist die Aufklärung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen. Der Begriff Werkstoffwissenschaft bezieht sich auf die mehr anwendungsorientierten Aspekte von Materialien z. B. in Werkstücken, während die Materialwissenschaft grundlagenorientiert ist. Forschungsthemen in der Materialwissenschaft sind
- Klassifikation von Materialien
- Synthese und Herstellung von Materialien
- physikalische, chemische und biologische Eigenschaften von Materialien
- Entwicklung neuer Materialien sowie deren Anwendungen

Weblinks

Namhafte Forschungsinstitute, die sich mit der Materialwissenschaft in Deutschland beschäftigen:
- Max-Planck-Gesellschaft
- Fraunhofer-Gesellschaft
- [http://www.bias.uni-bremen.de/ Bremer Institut für angewandte Strahltechnik (BIAS) Bremen]
- [http://www.ifam.fraunhofer.de/ Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) Bremen]
- [http://www.iwt-bremen.de Institut für Werkstofftechnik (IWT) Bremen]
- [http://www.ifw-dresden.de IFW Dresden]
- [http://www.tu-darmstadt.de/fb/ms/ Materialwissenschaft TU Darmstadt]
- [http://www.uni-jena.de/matwi/ IMT Jena]
- [http://www.imm.rwth-aachen.de/ IMM der RWTH Aachen]
- [http://www.fzk.de/ Forschungszentrum Karlsruhe]
- [http://www.pe.tu-clausthal.de/ Fakultät Natur- und Materialwissenschaften der TU Clausthal]
- [http://www.ww.uni-erlangen.de/ Institut für Werkstoffwissenschaften der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg]
- [http://www.caesar.de/510.0.html Verschiedene Arbeitsgruppen am Forschungszentrum caesar]
- Forschungszentrum Rossendorf
- [http://www.fan.uni-bayreuth.de/ Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften der Uni Bayreuth] Forschungsinstitute in der Schweiz
- [http://www.mat.ethz.ch ETH Zürich, Departement Materialwissenschaft]
- [http://www.empa.ch EMPA Schweiz] Kategorie:Werkstoffkunde

Geowissenschaften

Die Geowissenschaften (von Geo=Erde, Erdwissenschaften) umfassen die Wissenschaften, die sich mit der Erde beschäftigen und gehört damit zu den Naturwissenschaften. Den Geowissenschaften werden u.a. die Fächer Geologie, Geographie, Geoinformatik, Paläontologie, Mineralogie, Petrographie, Kristallographie, Geophysik, Geodäsie, Glaziologie, Kartographie, Photogrammetrie, Meteorologie und Bodenkunde zugeordnet. Die Geowissenschaften verwenden die Kenntnisse und Methoden der Basiswissenschaften Physik, Mathematik, Astronomie, Chemie und Biologie. Da die Geowissenschaften sehr interdisziplinär und fächerübergreifend sind, gibt es viele spezielle Disziplinen, die eine hohe Umweltrelevanz besitzen, z.B. Angewandte Geologie i.w.S., Ingenieurgeologie, Hydrogeologie, Hydrologie, Geochemie (u.a. mikrobielle Geochemie), Geoökologie, Meteorologie, Klimatologie, Geothermie. Die Geowissenschaften haben eine tragende Rolle für die Energieversorgung wie Rohstoffversorgung unserer Welt. Die Suche (Exploration) nach Trinkwasser, Kohlenwasserstoffen (Erdöl, Erdgas, Kohle), Metallen und Nichtmetallen (Steine und Erden), wie Kies, Bausand, Ziegelton, Zementkalk, etc., aber auch Kernenergierohstoffen (Uran) und Erdwärme werden durch Geowissenschaftler projektiert und realisiert. Die Gewinnung dieser Rohstoffe fällt aber eher in den Bereich der Ingenieurwissenschaften, besonders des Bergbaus. Die angewandten Geowissenschaften finden Verwendung bei vielen Bauvorhaben (Gründung von Bauwerken, Erdbau, Grundbau und Tunnelbau). Die Raumplanung, der Umweltschutz bis hin zur Abfallwirtschaft (Deponien) benötigen geowissenschaftliche Kenntnisse. Die Abgrenzung bzw. die Definition des Begriffs „Geowissenschaften” ist nicht eindeutig definiert. Das Fach Geographie ist hier ein gutes Beispiel. Die oben angeführten „harten” Themen sind auch Bestandteil der „physischen Geografie”. Nichtsdestsotrotz gibt es den Zweig der „Anthropogeografie” mit zahlreichen Bezügen zu zwar raumbezogenen, nicht aber per se „erd”-bezogenen Themen. Zu nennen sind z.B. Wirtschaftsgeografie, Kulturgeografie und viele mehr.

Die einzelnen Wissenszweige

; Astrogeodäsie : Die Astrogeodäsie ist ein Teilgebiet der Geodäsie, welches Kenntnisse, Mittel und Methoden der Astronomie für Vermessungsaufgaben einsetzt (siehe auch Geodäsie). ; Bodenkunde : Die Bodenkunde (Pedologie) ist die Wissenschaft, die sich mit der Entstehung, der Entwicklung, den Bestandteilen und einer Klassifizierung von Böden befasst. Böden entstehen durch physikalische und chemische Verwitterung aus festem Gestein. ; Fernerkundung : Interdiziplinäres Instrument zur Datenbeschaffung durch Luftbildaufnahmen und Fernerkundungssatelliten für fast alle der hier aufgeführten Bereiche. ; Photogrammetrie : bedeutet die Rekonstruktion der dreidimensionalen Form von Gegenständen (hier insbesondere die Erd- oder Geländeoberfläche) aus Abbildungen (z. B. der perspektivischen Abbildung einer Fotografie). ; Geochemie : Die Geochemie befasst sich mit dem stofflichen Aufbau und der Verteilung von Elementen und Isotopen in der Erde, auf anderen Planeten und im Weltraum (Kosmochemie). Außerdem erforscht sie die Gesetzmäßigkeiten von Stofftransport und Materiekreisläufen in Mineralen und Gesteinen und der gesamten Erde. ; Geodäsie : Die Geodäsie oder Vermessungskunde befasst sich mit der Bestimmung der Figur der Erde, ihrer Abbildung in Karten und Plänen sowie der Vermessung und Beschreibung des Geländes und der Gegenstände und Sachverhalte an der Erdoberfläche. Teilbereiche der Geodäsie sind die Erdmessung, die Landesvermessung, die Kartographie, die Photogrammetrie, die Grundstücksvermessung und die Ingenieurvermessung. ; Geographie : Die Geografie untersucht alle Vorgänge und Erscheinungen auf dem Planeten Erde (siehe auch: (Physische Geografie). ; Geoinformatik : Die Geoinformatik setzt sich mit dem Wesen und der Funktion der Geoinformation, mit ihrer Bereitstellung in Form von Geodaten und mit den darauf aufbauenden Anwendungen auseinander. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse münden in die Technologie der GEO-Informationssysteme (GIS). Allen Anwendungen der Geoinformatik gemeinsam ist der Raumbezug. ; Geologie : Die Geologie untersucht den Aufbau des Planeten Erde, vor allem die Gesteine in der Erdkruste. Das wichtigste Prinzip der Geologie ist der Aktualismus. Anfang der 1960er erlebte die Wissenschaft einen sprunghaften Fortschritt durch die allgemeine Akzeptanz der Theorie der Plattentektonik. Schwesterwissenschaften der Geologie sind die Paläontologie und die historische Geologie. Siehe auch: Geschichte der Geologie ; Geophysik : Die Geophysik ist ein Zweig der Physik und verwendet physikalische Prinzipien zur Erforschung der Erde. Teilgebiete der Geophysik sind Seismik, Seismologie, Gravimetrie, Geoelektrik, Geothermik, Isotopengeophysik,Geomagnetik und Bohrlochgeophysik. Die Geophysik untersucht auch die Eigenschaften des erdnahen Raums. ; Geomorphologie : Die Geomorphologie untersucht die heute auf der Erdoberfläche vorkommenden Landschaftsformen. Das schließt deren Klassifikation, Beschreibung, Eigenheiten, Ursprünge, Entwicklung und den Zusammenhang zu den unterlagernden geologischen Strukturen ein. ; Geotechnik : ist ein Oberbegriff für die Disziplinen im Bauingenieurwesen, welche sich mit der Gründung von Bauwerken im Untergrund befassen. ; Geothermie : Die Geothermie versucht die innere Wärme des Erdkörpers für die Energiegewinnung nutzbar zu machen. ; Hydrologie : Die Hydrologie ist die Wissenschaft vom Wasser, von seinen Eigenschaften und seinen Erscheinungsformen auf und unter der Landoberfläche. ; Ingenieurgeologie : Die Ingenieurgeologie ist der angewandte Zweig der Geologie, der geologische Verhältnisse im Sinne des Bauingenieurwesens untersucht. Sie befasst sich z.B. mit der Standfestigkeit des Untergrunds von Bauwerken, auch mit der Erdbebensicherheit. Bei der Beseitigung und Vermeidung von Umweltschäden (Mülldeponien, Endlager) spielt sie ebenfalls eine Rolle. ; Kartographie : Die Kartographie ist die Wissenschaft, Kunst und Technik der Erstellung geografischer Karten zur planen Darstellung der Erdoberfläche mit all ihren topographischen, siedlungsgeografischen, territorialen, infrastrukturellen, sozialen, wirtschaftlichen, politischen, historischen, biologischen, geologischen, tektonischen und sonstigen Aspekten. Sie stützt sich auf Messungen der Geodäsie. ; Kristallographie : Die Kristallographie ist eine Materialwissenschaft und beschäftigt sich mit den physikalischen Eigenschaften von Kristallen. ; Limnologie : Die Limnologie ist die Wissenschaft von den Binnengewässern als Ökosystemen, deren Struktur, Stoff- und Energiehaushalt sie erforscht. ; Meteorologie : Die Meteorologie (Wetterkunde) ist die Wissenschaft von den atmosphärischen Erscheinungen. ; Mineralogie : Die Mineralogie beschäftigt sich mit der Zusammensetzung und Klassifikation der Minerale, ihrem Vorkommen und ihrer technischen und wirtschaftlichen Verwendung. ; Ozeanographie : Die Ozeanographie untersucht Stoff- und Energiekreisläufe in den Weltmeeren. In der Planktologie findet sich ein Bindeglied zu den Biowissenschaften. ; Paläoklimatologie : Die Paläoklimatologie versucht anhand verschiedener Daten aus Klimaarchiven die unterschiedlichen klimatischen Verhältnisse in der Vergangenheit zu klären und daraus wiederum Rückschlüsse auf die klimatische Zukunft der Erde zu ziehen. ; Paläontologie : Die Paläontologie ist die Wissenschaft, die sich mit den vorzeitlichen Pflanzen (Paläobotanik) und Tieren (Paläozoologie) beschäftigt. Quellenmaterial für den Paläontologen sind die Fossilien. Neben komplett überlieferten Skeletten oder Schalen von Tieren zählen Fraß- und Weidespuren, Grabgänge, einzelne Teile von Lebewesen (vor allem bei Pflanzen sind meist nur einzelne Teile (Blätter, Stämme, Wurzeln) überliefert), versteinerter Kot (Koprolithen) und chemisch alterierte Überreste zu den Fossilien. ; Petrologie und Petrographie : Petrologie und Petrographie sind Disziplinen, die feste Gesteine zum Untersuchungsgegenstand haben. Die Petrographie nimmt dabei eine mehr beschreibende Rolle ein. Aufgrund der Unterschiede bei der Entstehung von Gesteinen kann die Petrologie in drei Untergebiete eingeteilt werden: Petrologie magmatischer, metamorpher und sedimentärer Gesteine. ; Petrophysik : Die Petrophysik befasst sich mit der Bestimmung von phykalischen Eigenschaften von Gesteinsproben. Sie hat besondere Bedeutung erlangt bei der Bewertung von Speichergesteinen für Erdöl und Erdgas. ; Physische Geografie : Die Physische Geografie beschreibt die Gestalt der Erdoberfläche. ; Stratigraphie : Die Stratigraphie ist ein Zweig der Geologie. Sie versucht Gesteine hinsichtlich ihres Entstehungsalters chronologisch in der geologischen Zeitskala einzuordnen. Je nachdem auf welche Merkmale eines Gesteins sich die Stratigraphie stützt unterscheidet man: Fossil- oder Biostratigraphie, Lithostratigraphie, Magnetostratigraphie und Sequenzstratigraphie. ; Tektonik : Die Tektonik ist einerseits die Lehre vom gegenwärtigen Bau der Erdkruste z.B. „die Tektonik der Alpen”, andererseits von den Bewegungen und Kräften, die für den gegenwärtigen Zustand verantwortlich sind. ; Vulkanologie : Der Gegenstand der Vulkanologie sind die vulkanischen Phänomene der Erde. ; Wirtschaftsgeologie : Die Wirtschaftsgeologie oder Lagerstättengeologie benutzt bei der Suche nach ökonomisch wertvollen Rohstoffen (Exploration), neben klassischen geologischen Techniken, wie Kartierung und Probennahme im Gelände, auch Methoden der Geochemie, Geophysik und Fernerkundung. Zur Klärung der Genese von Lagerstätten sind besonders die Vorstellungen über den Fluss von unterirdischen, mineralisierenden Lösungen (Fluide) wichtig. Die Bergbaugeologie nutzt bei der Aufsuchung und Ausbeutung von Erzlagerstätten v.a. Erkenntnisse der Tektonik und Strukturgeologie. Bei der Suche nach fossilen Brennstoffen, sowie nach nichtmetallischen Rohstoffen, benötigt man auch Kenntnisse der Paläontologie (besonders Mikrofossilien) und Sedimentologie. Siehe auch: Liste geowissenschaftlicher Themen

Bekannte Geowissenschaftler

- Georgius Agricola
- Walter Christaller
- Johann Wolfgang von Goethe
- Stephen Jay Gould
- Arthur Holmes
- Carl Friedrich Gauß
- Alexander von Humboldt
- James Hutton
- Charles Lyell
- Georg von Neumayer
- William Smith
- Nicolaus Steno alias Nils Stensen
- Alfred Wegener
- Abraham Gottlob Werner

Weitere Literatur

- Hans Murawski und Wilhelm Meyer (1998): Geologisches Wörterbuch, Ferdinand Enke Verlag im dtv, ISBN 3-423-03038-0 (dtv), ISBN 3-432-84100-0 (Enke).
- Adolf Watznauer (1978): Wörterbuch Geowissenschaften (englisch-deutsch), Verlag Harri Deutsch, Thun und Frankfurt am Main, ISBN 3871441392.

Wikiprojekte

- Wikipedia:Wikiprojekt Geowissenschaften => Portal Geowissenschaften
- Wikipedia:Wikiprojekt Geoinformatik
- Wikipedia:WikiProjekt Geographie
- Wikipedia:Wikiprojekt Minerale
- [http://www.mineralienatlas.de/phpwiki/index.php Mineralienatlas:Wikiprojekt Mineralien - Fossilien]

Weblinks

- [http://www.geoberuf.de/ Berufsverband Deutscher Geowissenschaftler e.V.]
- [http://www.bgr.de/ Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR Hannover)]
- [http://univ.cc/geolinks/ Datenbank geowissenschaftlicher Institute Weltweit]
- [https://www.gga-hannover.de/app/fis_gp/startseite/start.htm Fachinformationssystem Geophysik (FIS GP Hannover)]
- [http://www.geosciences-forum.com/ Forum rund um die Geowissenschaften]
- [http://www.bundeswehr.de/forces/030317_geoinf.php#1 Geoinformationsdienst der Bundeswehr (GeoInfoDBw)]
- [http://dict.mygeo.info/ Geowissenschaftliches Online Wörterbuch Deutsch Englisch]
- [http://www.geozentrum-hannover.de/ Geozentrum Hannover]
- [http://www.g-o.de/ Das deutschsprachige Portal zu den Geowissenschaften]
- http://www.wikiwetter.de/
- [http://www.gga-hannover.de/ Institut für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben (GGA Hannover)]
- [http://www.sci.muni.cz/~sulovsky/euracad.html Liste europäischer geowissenschaftlicher Universitätsinstitute]
- [http://www.nlfb.de/ Niedersächsisches Landesamt für Bodenforschung (NLfB Hannover)]
- [http://www.planeterde.de/ Planet Erde] ein Portal des Bundesministerium für Bildung und Forschung zum Thema Geowissenschaften ! Kategorie:Naturwissenschaft ja:地球科学 ko:지구과학 ms:Sains bumi simple:Earth science th:วิทยาศาสตร์โลก

Gestein

Als Gestein bezeichnet man eine feste, natürlich auftretende, in der Regel mikroskopisch heterogene Vereinigung von Mineralen, Gesteinsbruchstücken, Gläsern oder Rückständen von Organismen mit weitgehend konstantem Mischungsverhältnis dieser Bestandteile zueinander. Der geologische Gesteinsbegriff ist weiter gefasst als der umgangssprachliche und bezieht auch natürlich auftretende Metall-Legierungen, vulkanisches Glas, Eis oder Kohle ein. Die Lehre von den Gesteinen, die Petrologie, ist ein Teilgebiet der Geowissenschaften. Beispiele für verschiedene Gesteinsarten sind in der Liste der Gesteine zu finden. Die Erde und die inneren Planeten des Sonnensystems bauen sich aus Gesteinen auf, die oft sehr große räumlich zusammenhängende Massen bilden. Insbesondere bauen sich aus ihnen die an der Oberfläche der Erdkruste sichtbaren Gesteinsformationen, die Gebirge, auf, die durch die tektonischen Vorgänge der Gebirgsbildung entstehen. Gesteine bilden sich hauptsächlich
- durch Erkalten flüssigen Magmas (Magmatite),
- durch Ablagerung von Feststoffen (Sedimentite), zum Beispiel von Sanden, Tonen oder Rückständen abgestorbener Lebewesen, sowie durch Abscheidung aus Lösungen (Salzgesteine),
- durch Umwandlung (Metamorphose) aus anderen Gesteinen, verursacht durch erhöhten Druck und/oder erhöhte Temperatur (Metamorphite). Eine kleine Anzahl irdischer Gesteine geht auf Meteoriten zurück.

Zusammensetzung und Gefüge

Gesteine bestehen in erster Linie aus Mineralen, von denen aber nur etwa dreißig einen bedeutenden Anteil an der Gesteinsbildung haben. Vor allem sind dies die Silikate wie Olivine, Glimmer, Amphibole, Feldspäte oder Quarz, aber auch Karbonate wie Dolomit oder Kalzit sind wichtige Bestandteile von Gesteinen. Neben diesen Hauptgemengteilen enthalten die meisten Gesteine noch so genannte Nebengemengteile oder Akzessorien. Als Gefüge eines Gesteins bezeichnet man seine Struktur, die sich aus den Eigenschaften und dem Verhältnis der gesteinsbildenden Minerale zueinander ergibt. Insbesondere die Größe und Form der enthaltenen Kristalle, sowie ihre räumliche Lage und Verteilung im Gestein, machen das Gefüge aus.

Klassifikation

Gesteine können auf verschiedene Weise klassifiziert werden; sehr verbreitet ist die Einteilung nach Entstehung und Herkunft. Demnach unterscheidet man vier Gruppen, magmatische Gesteine (Magmatite), metamorphe Gesteine (Metamorphite), Sedimentgesteine (Sedimentite) und als Sonderfall Meteoriten. In der Geotechnik und zahlreichen verwandten Wissenschaften wie der Bodenkunde unterscheidet man Gesteine grundsätzlich in zwei Gruppen, die Festgesteine und die Lockergesteine.

Magmatische Gesteine

Magmatische Gesteine Magmatische Gesteine entstehen durch das Erkalten heißen geschmolzenen Materials aus dem Erdinneren, des so genannten Magmas. Findet das Erkalten unterirdisch statt, spricht man von Plutoniten oder Intrusivgesteinen. Durch die verhältnismäßig gute Wärmeisolation der aufliegenden Gesteine kühlt sich die Magmaschmelze nur langsam ab, so dass große Mineralkristalle entstehen können. Beispiele für plutonische Gesteine sind Granit oder Gabbro. Das Magma kann riesige Gesteinsmassen, die so genannten Plutone bilden, die oft mehrere Tausend Kubikkilometer Gestein umfassen. Magma kann jedoch auch in flüssigem Zustand zu Tage treten. An der Erdoberfläche im Kontakt mit Luft erkaltet es schnell und bildet dann die so genannten vulkanischen oder Extrusivgesteine. Durch die rasche Abkühlung kommt es nur zur Bildung sehr kleiner Kristalle wie etwa beim Basalt oder Andesit; oft existiert sogar überhaupt keine kristalline Ordnung, und es entsteht vulkanisches Glas wie beispielsweise Obsidian.

Metamorphe Gesteine

Metamorphe Gesteine entstehen aus älteren Gesteinen beliebigen Typs durch Metamorphose, das heißt durch Umwandlung unter hohem Druck beziehungsweise hoher Temperatur. Bei der Umwandlung ändert sich die Mineralzusammensetzung des Gesteins, weil neue Minerale und Mineralaggregate gebildet werden; der Gesteinschemismus bleibt aber weitgehend gleich. Daneben wird auch das Gesteinsgefüge transformiert. Beispielsweise entsteht aus Quarzsanden durch Rekristallation und die Ausbildung eines feinen Zements zwischen den Kristallkörnern das metamorphe Gestein Quarzit. Weiträumige Metamorphose von Gesteinen findet meist in großer Tiefe statt, lokale Transformationen können aber auch nahe der Erdoberfläche auftreten, meist in Zusammenhang mit Vulkanismus oder seichten Granitintrusionen. Auch Meteoriteneinschläge führen zu Gesteinsmetamorphosen.
- Regionalmetamorphose steht in Zusammenhang mit Gebirgsbildungen und ist häufig druckbetont. Die damit verbundene Faltung von Gesteinen durch Kompression führt zu Rekristallisation und Einregelung von Mineralen und der Ausbildung einer Schieferung. Ein Beispiel ist die Umwandlung von tonigen Sedimenten in Schiefer.
- Kontaktmetamorphose bezeichnet die Gesteinsumwandlung durch Wärmeeinwirkung aus dem umgebenden Gestein heraus, entweder in lokalem Maßstab durch Aufheizen des Gesteins um kleinere magmatische Gänge herum bis hin zu großen Transformationszonen, sogenannten Aureolen, die sich um große, tiefsitzende plutonische Granit-Intrusionen herum bilden.

Sedimentgesteine

Sedimentgesteine Sedimentgesteine entstehen durch Verwitterung und Erosion von Gesteinen durch Wind (zum Beispiel Löss), Wasser (zum Beispiel Sandstein) oder Eis (zum Beispiel Tillit), die Lösung, den Transport und die nachfolgende Ablagerung ihrer Bestandteile, daneben auch durch biochemisch induzierten Niederschlag (zum Beispiel Kreide) oder durch Verdampfung (zum Beispiel Evaporit). Einzelne Mineralkörner oder Gesteinsfragmente bilden mit der Zeit lose Sedimente. So werden je nach Art der Genese klastische, chemische oder organogene Ablagerunsgesteine unterschieden. Werden diese durch Sedimentation weiteren Materials bedeckt, verdichten sie sich unter zunehmendem Wasserverlust immer mehr, bis durch Neukristallisation und Kompaktifikation aus dem weichen Sediment das harte, spröde Sedimentgestein entstanden ist. Darin werden die einzelnen Mineralkristalle durch eine feinkörnige Grundmasse, die Matrix, zusammengehalten. Diese Veränderungen nach der primären Sedimentation bezeichnet man als Diagenese. Sedimentationsprozesse finden auf der Erdoberfläche seit Milliarden von Jahren statt. Sedimente lagern sich meist kumulativ in einer Abfolge horizontaler Schichten ab; durch die Reihenfolge der Ablagerung sind von Ausnahmefällen abgesehen höherliegende Schichten jünger als tieferliegende, eine Erkenntnis, die als Superpositionsprinzip oder Lagerungsgesetz auf den dänischen Arzt und Geologen Nicolaus Steno zurückgeht. Nach ihrer Entstehung können Sedimentgesteine starken Kräften unterliegen, infolge derer die ehemals flachen Schichten gefaltet und gekippt werden, so dass die Lage des Gesteins im Raum so stark verändert sein kann, dass die ursprüngliche Schichtfolge lokal umgekehrt ist. Sedimente lassen sich grob in die terrestrischen Land- und die marinen Meeressedimente unterteilen. Zu ersteren zählt man auch die Ablagerungen in Süßwasserseen oder Flüssen, die aus Sand oder Schlamm entstanden sind, sowie die organischen Pflanzenreste, aus denen die Kohle hervorgegangen ist. Auch Wüstensedimente sowie Ablagerungen von Gletschern werden dieser Gruppe zugeteilt. Meeressedimente können durch Ablagerung von Erosionsmaterial anderer Gesteine auf dem Meeresgrund, durch von biochemischen Vorgängen verursachte Ausfällung zum Beispiel von Karbonaten und durch Ablagerung anorganischer Skelette von Mikroorganismen wie Kammerlingen (Foraminifa), Coccolithophoriden (Haptophyta), Strahlentierchen (Radiolaria) oder Kieselalgen (Bacillariophyta) entstehen.

Meteorite

Meteorite Einen Sonderfall unter den Gesteinen bilden die Meteorite, Gesteinskörper aus dem Weltraum. Meteorite sind Überreste der ursprünglichen Materie des Sonnensystems und enthalten zahlreiche Minerale, die sich nicht in anderen Gesteinen irdischen Ursprungs finden lassen. Sie lassen sich nach ihrem Mineralgehalt einteilen in Steinmeteorite, die in erster Linie aus Silikaten wie Olivin oder Pyroxen bestehen, Eisenmeteorite, die sich häufig aus den Eisen-Nickel-Mineralen Kamazit und Taenit zusammensetzen und Stein-Eisen-Meteorite, die einen Mischtyp darstellen. Die Größe von Meteoriten liegt zwischen der von Mikrometeoriten und riesigen, tonnenschweren Gesteinskörpern. Aus Schweden sind mehrere hundert Millionen Jahre alte fossile Meteoriten bekannt. Irdischen Ursprungs, aber durch Meteoriteneinschläge gebildet sind die Tektite, zentimetergroße Glasobjekte, die durch einschlagbedingtes Schmelzen irdischen Gesteins und darauf folgendes schnelles Abkühlen an der Luft entstehen, und die Impaktite, die durch die starken mechanischen und thermischen Einwirkungen bei einem Meteoriten-Einschlag aus den am Einschlagsort vorhandenen Gesteinen entstehen wie etwa Suevit.

Gesteinskreislauf

Hauptartikel: Kreislauf der Gesteine Magmatische, metamorphe und Sedimentgesteine werden durch geodynamische Prozesse wie Erosion, Gesteinsmetamorphose oder Sedimentation ineinander umgewandelt. So unterliegen durch Erosion des Deckgesteins freigelegte metamorphe und magmatische Intrusivgesteine ebenso wie die an der Oberfläche gebildeten Sediment- und magmatischen Extrusivgesteine der Verwitterung und Erosion. In erster Linie durch wind- oder wasserbedingten Transport lagern sich die Verwitterungsbestandteile als Sedimente ab und bilden durch Verdichtung schließlich Sedimentgesteine. Diese wandeln sich wie auch magmatische Intrusivgesteine in großer Tiefe unter hohem Druck und hoher Temperatur in metamorphe Gesteine um. Der Kreislauf schließt sich, wenn diese entweder wieder an die Oberfläche gelangen oder durch weitere Absenkung ins Erdinnere aufgeschmolzen werden und damit das Rohmaterial für die Entstehung magmatischer Gesteine bilden. Das folgende Diagramm zeigt diese Prozesse in der Übersicht: center

Bedeutung

Gesteine dienten in der Menschheitsgeschichte als erster Werkstoff zur Herstellung von Werkzeug, den Steingeräten, und sind somit auch der Namensgeber für die älteste kulturhistorische Erdepoche, die Steinzeit. Archäologische Funde aus jener Zeit sind meist Steinartefakte. Steine bilden das älteste feste Baumaterial der menschlichen Kultur und die älteste bekannte überlieferte Schreibunterlage menschlicher Schriftkultur. Sie sind Grundlage bildlicher Darstellungen in der Kunst, besonders in der Lithografie und als Ausgangsmaterial der Bildhauerei. Schmucksteine, Edelsteine und Halbedelsteine sind als Schmuck beliebt. Lesesteinhaufen und Trockensteinmauern dienten früher als Markierung von Äckern und sind heute wertvolle Biotope. Ein Grenzstein wird zur Abgrenzung von Gebieten verwendet. Fossilien in Form von Versteinerungen zeugen von Lebewesen früherer Äonen, Epochen und Perioden und spielen eine große Rolle für das Studium vergangener Lebensformen, der Evolutionsgeschichte sowie für die Datierung von Gesteinsschichten. Siehe auch: Liste der Gesteine, Liste der Gesteine nach Genese

Literatur

Vinx, Roland: Gesteinsbestimmung im Gelände. 2005, 452 S., 7 s/w Abb., 364 farb. Abb., 14 s/w Tab. Spektrum Akademischer Verlag. ISBN 3-8274-1513-6

Weblinks

- [http://www.lgd.de/projekt/gesteine/gesteine/index.html Gesteine - Baumaterial unserer Erde]
- Real Video: [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=040107.rm Woher weiß man das Alter von Gesteinen?] (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri) Kategorie:Petrologie ! Kategorie:Bergbau ja:岩石 ms:Batu th:หิน

Mineral

Als Mineral (Mehrzahl Minerale, auch Mineralien) definieren Mineralogen natürlich vorkommende Feststoffe mit einer einheitlichen chemischen Zusammensetzung und einem auch auf mikroskopischer Ebene gleichförmigen Aufbau. Die meisten Minerale sind kristallin. Die Mehrzahl der heute bekannten ca. 4000 Minerale sind anorganisch, es sind aber auch wenige organische Minerale bekannt. Die Lehre von den Mineralen ist die Mineralogie. Alle Gesteine der Erde und anderer Himmelskörper sind aus Mineralen aufgebaut. Am häufigsten kommen etwa dreißig Minerale vor, die so genannten Gesteinsbildner. Der spezifische Mineralinhalt eines Gesteins liefert Informationen über die Bildung und Entwicklungsgeschichte eines Gesteins und trägt damit zur Kenntnis des Ursprungs und der Entwicklung des Planeten Erde bei. Nach ihrer Entstehung lassen sich Primärminerale und Sekundärminerale unterscheiden: Erstere entstehen zur selben Zeit wie das Gestein, dessen Teil sie sind, letztere werden dagegen erst durch chemische Verwitterung oder Metamorphose aus den Primärmineralen gebildet.

Struktur und Form

Metamorphose Fast alle Minerale treten in der Natur als kristalline Feststoffe auf, sehr wenige dagegen als amorphe Stoffe, die dem Glas vergleichbar sind. Gediegenes, das heißt elementares, Quecksilber und Wasser, die flüssige Modifikation des Eises, stellen die einzigen Flüssigkeiten dar, die zu den Mineralen gezählt werden. Frei kristallisierte Minerale zeigen äußerlich eine feste geometrische Form mit wohldefinierten natürlichen Flächen, die in festen Winkeln zueinander stehen. Dies wird auch als Gesetz der Winkelkonstanz bezeichnet. Die symmetrische Anordnung der Flächen ist Ausdruck der inneren Struktur eines kristallinen Minerals: Es zeigt eine wohlgeordnete Atomstruktur, die durch vielfach wiederholte Aneinanderreihung so genannter Elementarzellen entsteht, die die kleinste Struktureinheit des Minerals ausmachen. Man unterscheidet aufgrund der inneren Symmetrie sechs bis sieben Kristallsysteme, nämlich das kubische, das hexagonale, das trigonale, das tetragonale, das orthorhombische, das monokline und das trikline System. Hexagonales und trigonales System werden von manchen Mineralogen gelegentlich zusammengefasst. Durch ungleichmäßiges Kristallwachstum können so genannte Zwillinge entstehen, das sind zwei aus einem Urkristall hervorgegangene miteinander verwachsene Kristalle, die sich, bestimmten Gesetzen gemäß, symmetrisch zueinander verhalten.

Mineral-Erkennung und Eigenschaften

Die Erkennung eines Minerals kann in vielen Fällen auf Grund einiger weniger Eigenschaften wie Kristallform, Härte, Farbe, Bruchverhalten usw. erfolgen. In manchen Fällen sind jedoch weitergehende chemische Analysen, optische Tests oder Röntgenstrukturuntersuchungen zur Identifikation eines Minerals notwendig. Eine wichtige Analysemethode der Mineralogie ist die Durchleuchtung eines Mineral-Dünnschnitts im Polarisationsmikroskop, wo sich die unterschiedlichen chemischen und strukturellen Eigenschaften des Minerals im optischen Verhalten zeigen. Wichtige Eigenschaften eines Minerals sind:
- die Farbe: Sie wird durch die chemische Zusammensetzung eines Minerals, insbesondere durch kleinere Verunreinigungen oder Fehlordnungen im Gitter, beeinflusst. So lässt sich beispielsweise Zinnober an seiner blutroten Färbung erkennen.
- die Strichfarbe: Sie ist die Farbe des pulverförmigen Minerals, die sich oft von der Färbung seiner Oberfläche unterscheidet. Hämatit lässt sich immer an seiner eisenroten Strichfarbe erkennen. Der Strich wird üblicherweise an einem unglasierten Keramikplättchen geprüft.
- der Glanz: Durch die Art, wie Licht an der Oberfläche eines Kristalls reflektiert oder absorbiert wird, ergibt sich sein Glanz. Beim metallisch glänzenden Bleiglanz ist er sogar namensgebend.
- die Transparenz: Manche Minerale sind für Licht vollkommen durchlässig wie die Bergkristall genannte Quarz-Varietät. Viele metallische Erze wie z.B. der Kupferkies sind dagegen undurchsichtig, was auch als opak bezeichnet werden kann.
- die Dichte: Sie hängt von der chemischen Zusammensetzung und Struktur ab. So lässt sich Zinnober von Realgar durch seine durch den Gehalt an schwerem Quecksilber wesentlich höhere Dichte unterscheiden. Wird die Dichte auf die Dichte von Wasser bezogen, so wird sie relative Dichte genannt und ist dann einheitenlos.
- die Härte: Sie wird durch die Stabilität der chemischen Bindungen im Mineral bestimmt und durch ihre Ritzbeständigkeit ermittelt. Angegeben wird sie in der Mineralogie durch ihren Wert auf der Mohs-Skala, die von eins (sehr weich, Beispiel Talk) bis zehn (sehr hart, Beispiel Diamant) reicht.
- die Spaltbarkeit: Sie beschreibt Kristallebenen, zwischen denen nur schwache Kräfte bestehen und an denen daher der Kristall gespalten werden kann. Beispielsweise hat Kalzit drei Spaltebenen und ist so sehr vollkommen spaltbar. Quarz besitzt dagegen gar keine Spaltebene.
- das Bruchverhalten: Bricht ein Mineral nicht entlang seiner Spaltebenen, treten oft charakteristische Bruchstrukturen auf. Beispiele sind der muschelige Bruch von Dolomit und der faserige Bruch von Kyanit.
- die Lumineszenz: Sie ist ein Sammelbegriff für die verschiedenen Arten des Aufleuchtens einer Substanz unter Einwirkung irgendeiner Strahlung mit Ausnahme der reinen Wärmestrahlung (z. B. Fluoreszenz, Phosphoreszenz).
- der Magnetismus: Das magnetische Verhalten von Mineralen ist verschieden: Es gibt selbst anziehende Minerale (z. B. Magnetit), von Magneten angezogene Minerale (z. B. Magnetkies) und magnetisch neutrale Minerale. Bestimmt wird diese Eigenschaft mittels einer Kompassnadel.
- die Zähigkeit: Fachsprachlich auch Tenazität genannt versteht man darunter bei Mineralen die Sprödigkeit, Dehnbarkeit und Elastizität. Für einzelne Minerale kann die Zähigkeit ein Bestimungsmerkmal sein, ist jedoch meist dem Spezialisten vorbehalten.
- die Flammenfärbung: Einige Elemente verfärben eine Flamme. Diese Eigenschaft wird in der Flammenprobe verwendet, um auf die chemische Zusammensetzung eines Minerals zu schließen. Gasbrenner sind in abgedunkelten Räumen dazu am Besten geeignet.
- die Radioaktivität: Dies ist die Eigenschaft, hochenergetische Strahlung ohne Energiezufuhr auszusenden. Man unterscheidet traditionell drei Arten von Strahlen: Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Die Strahlenmessung erfolgt mit einem so genannten Geigerzähler. Radioaktivität ist auch in niedrigen Dosen potentiell gesundheitsschädlich.
- der Pleochroismus: Bei einigen durchsichtigen Mineralen sind die Farben und Farbtiefen in verschiedenen Richtungen unterschiedlich. Erscheinen zwei Farben nennt man dies Dichroismus, bei drei Farben Trichroismus bzw. Pleochroismus. Die Bezeichnung wird auch als Sammelbezeichnung für beide Arten der Mehrfarbigkeit verwendet.
- die Schmelzbarkeit: Sie beschreibt das Verhalten vor dem Lötrohr, d.h. die Schmelzreaktion.

Gesteinsbildende Minerale

Die meisten Gesteine setzen sich zum Großteil aus einer nur relativ kleinen Anzahl von Mineralen zusammen, den etwa dreißig Gesteinsbildnern, enthalten daneben aber noch kleinere Mengen an selteneren Bestandteilen. So werden mehr als neunzig Prozent der Erdoberfläche von Silikatmineralen wie Olivin, Pyroxen, Amphibol, Feldspat oder Quarz gebildet. Sie finden sich in magmatischen, metamorphen und auch in tonreichen Sedimentgesteinen. Weitere bedeutende Mineralgruppen sind die Karbonate, die ebenfalls in wichtigen Sedimentgesteinen wie beispielsweise Kalkstein enthalten sind und die Oxide, darunter z. B. Hämatit.

Erzlagerstätten

Mineralablagerungen, die zur Metallgewinnung wirtschaftlich abgebaut werden können, bezeichnet man als Erze. Der Begriff ist somit ökonomisch, nicht wissenschaftlich geprägt: Ob eine gegebene Lagerstätte kommerziell ausgebeutet werden kann, hängt von den Abbaukosten und dem Marktwert des enthaltenen Metalls ab - während der Eisenanteil von Mineralablagerungen bei bis zu 50 % liegen muss, um einen finanziellen Gewinn zu erzielen, reichte im Jahr 2003 bei dem wesentlich wertvolleren Platin bereits ein Anteil von 0,00001 % dazu aus. Erzlagerstätten können auf sehr verschiedene Weise entstehen:
- Riesige Ablagerungen von Eisenerz, die so genannten gebänderten Eisenerzformationen, wurden vor 3650 bis 1800 Millionen Jahren in der Zeit des Archaikums und frühen Proterozoikums vermutlich durch den Einfluss von Bakterien als Sedimente abgelagert.
- Durch Verwitterungsprozesse können Minerale aus ihrem ursprünglichen Entstehungsgebiet verbracht werden und sich konzentriert als Sedimente (Seifen) am Grund von Flüssen, Seen oder flacher Meere absetzen. Ein Beispiel sind Ablagerungen von so genanntem Seifengold, das traditionell durch Waschen aus Flusssand gewonnen wird.
- Wenn heißes Grundwasser, das sich in der Tiefe beim Kontakt mit magmatischer Schmelze mit Mineralen angereichert hat, durch Risse und Spalten zur Oberfläche vordringt, lagern sich mit sinkender Temperatur und sich veränderndem pH-Wert im umgebenden Gestein nacheinander verschiedene Mineralformationen ab, die auf diese Weise die so genannten Hydrothermaladern bilden.
- Auf ähnliche Weise, nur oberirdisch, entstehen Erze, wenn das mineralreiche Wasser an Thermalquellen zu Tage tritt.

Verwendung

Minerale als Schmuck

pH-Wert Seltene Minerale, die aufgrund ihrer Härte, Färbung oder ihres Glanzes als schön empfunden werden und deshalb als Schmuck dienen, sind als Schmucksteine, umgangssprachlich auch als Halbedelsteine bekannt. Mit ihnen befasst sich wissenschaftlich die Gemmologie. Die wertvollsten Schmucksteine wie zum Beispiel Diamant, Rubin, Smaragd oder Saphir heißen auch Edelsteine. (Unter diesen Begriff fallen allerdings auch Nicht-Minerale wie Bernstein.) Aufgrund ihres hohen Preises werden Edelsteine heute teilweise synthetisch hergestellt. Um die durch Farbe und Glanz beeinflusste Schönheit eines Schmucksteins zur Geltung zu bringen, muss er geschliffen und poliert werden. Dazu existieren zahlreiche verschiedene Schliffformen: Durchsichtige oder durchscheinende Varietäten werden in der Regel mit Facettenschliffen versehen, bei denen meist in festen Winkelbeziehungen zueinanderstehende Flächen, die so genannten Facetten, die Lichtreflexion maximieren. Undurchsichtige Minerale erhalten hingegen glatte, einflächige Schliffe. Der Asterismuseffekt eines Sternsaphirs beispielsweise lässt sich nur durch den so genannten Cabochonschliff erzielen. Das Feuer eines im Brillantschliff geschliffenen Diamanten hängt in der Hauptsache von der Einhaltung bestimmter Winkelverhältnisse der einzelnen Facetten sowie von seinen Proportionen ab.

Minerale als Reinigungsmittel

Das gemahlene Tonmineral Lavaerde aus dem marokkanischen Atlasgebirge wird bereits seit der Antike als Körper- und Haarreinigungsmittel verwendet.

Minerale als Reaktionspartner und Reaktionsprodukte

Die Mineralogie hat entscheidend zum besseren Verständnis von Reaktionsabläufen beigetragen. Dies gilt vor allem für die chemischen und mikrobiellen Reaktionen im Wasserkreislauf, bei der Trinkwasseraufbereitung und bei der Korrosion. Im Wasserkreislauf kommt das Wasser mit zahlreichen Mineralen in Kontakt. Als Reaktionspartner spielen vor allem Kalzit, Pyrit und Tonminerale eine größere Rolle: Ersteres ist Reaktionspartner bei der Neutralisation von Säuren einschließlich Kohlensäure unter Bildung von Wasserhärte, zweiteres wirkt als Reduktionsmittel bei der Elimination von Nitrat (Denitrifikation), während Tonminerale Neutralisationsreaktionen bei niedrigen pH-Werten und Ionenaustauschreaktionen bewirken können. Bei der Trinkwasseraufbereitung entstehen als Reaktionsprodukt bei der Elimination von Eisen(II)- und Manganionen Goethit und δ-MnO₂, Kalzit kann bei Enthärtungsreaktionen (Entkarbonisierung) gebildet werden. Bei der Abwasserbehandlung können bei ausreichend hohen Phosphatkonzentrationen in den Abwasserbehandlungsanlagen wasserklare Kristalle von Struvit, einem Ammonium-Magnesiumphosphat, entstehen. Diese können den Querschnitt von Leitungen verengen. Bei der Korrosion von Stahl und Gusseisen im Kontakt mit Wasser können je nach Wasserbeschaffenheit Goethit, Magnetit und Lepidokrokit, bei höherer Karbonathärte auch Siderit, in phosphathaltigen Wässern Vivianit, in sulfathaltigen WässernTroilit und in schwefelwasserstoffhaltigen Wässern Greigit gebildet werden. Aus Kupfer kann sich dagegen Cuprit, Malachit oder Azurit bilden, während aus Blei hauptsächlich Hydrocerussit entsteht.

Biomineralisation

Mineralbildungen spielen auch in der belebten Natur eine wichtige Rolle. Weil die entstehenden Produkte manchmal sehr gut, oft aber nur schlecht oder gar nicht kristallisiert sind, werden einige anorganische Komponenten mit ihrer chemischen Bezeichnung aufgeführt; der Mineralname ist gegebenenfalls in Klammern hinzugefügt.
- Calciumcarbonat ist in Form von Kalzit oder Aragonit in der belebten Natur ein Vielzweck-Werkstoff und dient als mineralische Komponente von Eier- oder Muschelschalen. Auch einige Mikroorganismen wie die Kammerlinge (Foraminifera) bilden kalkhaltige Schalen.
- Calciumfluorid (Fluorit) ist Hauptkomponente des Zahnschmelzes von Säugetieren.
- Calciumphosphat (Hydroxylapatit) ist die anorganische Komponente von Knochen.
- Magnetit dient Lebewesen als Kompass zur Orientierung im Erdmagnetfeld. Dies hat man zunächst bei magnetotaktischen Bakterien festgestellt. Auch bei Insekten, Weichtieren, Vögeln und Fischen hat man jedoch inzwischen Magnetit nachgewiesen.
- Siliziumdioxid wird in amorpher Form als Gerüstsubstanz in Pflanzen eingebaut; Kieselalgen bauen aus dieser Substanz ihr Kieselskelett.

Minerale in der Esoterik

Vielen Mineralen wird in der Esoterik eine Bedeutung als Heilstein zugesprochen.

Systematik der Minerale

Minerale können beispielsweise nach ihrer chemischen Zusammensetzung klassifiziert werden: Gediegene Elemente: Gediegene Elemente sind Minerale, die nur aus einem einzigen chemischen Element gebildet werden. Hierzu zählen etwa zwanzig Minerale, davon zehn geologisch signifikant.
- Beispiele: Kupfer (Cu), Silber (Ag), Gold (Au), Eisen (Fe), Schwefel (S), Graphit (C), Diamant (C) Sulfide: Sulfide bestehen aus einer Verbindung von Schwefel mit Metallen oder Halbmetallen. Zu den Sulfiden zählen etwa 600 Mineralien. Mineralogisch rechnet man auch die selenhaltigen Selenide und die tellurhaltigen Telluride zu dieser Gruppe.
- Beispiele: Bleiglanz (PbS), Pyrit (FeS₂), Zinkblende (ZnS), Zinnober (HgS) Halogenide: Die etwa 140 Halogenide bestehen aus einer Verbindung von Fluor, Chlor, Brom oder Iod mit Kationen wie Natrium oder Kalzium.
- Beispiele: Fluorit (CaF₂), Steinsalz (NaCl) Oxide und Hydroxide: Aus der Verbindung von Metallen oder Nichtmetallen mit Sauerstoff oder Hydroxylgruppen (OH^- -Gruppen) entstehen die etwa 400 Oxide bzw. Hydroxide (auch Oxyde genannt).
- Beispiele: Spinell (MgAl₂O₄), Hämatit (Fe₂O₃), Magnetit (Fe₃O₄), Korund (Al₂O₃), Pechblende (UO₂), Goethit (FeO(OH)) Karbonate: Die mehr als 200 Karbonate sind Sauerstoffsalze mit dem Anionenkomplex [ CO₃]^2-.
- Beispiele: Dolomit (CaMg(CO₃)₂), Kalzit (CaCO₃), Malachit (Cu₂CO₃(OH)₂) Phosphate, Arsenate, Vanadate: Phosphate sind Sauerstoffsalze mit dem Anionenkomplex [ PO₄]^3-. Hier werden meist auch Arsenate und Vanadate [VO₄]^3- eingeordnet. Die Gruppe umfasst etwa 400 Mineralien.
- Beispiele: Apatit (Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH)), Türkis (CuAl₆(PO₄)₄(OH)₈ · 5H₂O), Carnotit (K₂(UO₂)₂(VO₄)₂ · 3H₂·) Nitrate: Nitrate sind leicht lösliche Salze mit dem Anionenkomplex [ NO₃]^-, der meist mit Natrium oder Kalium verbunden ist. Sulfate: Die etwa 300 Sulfate sind Sauerstoffsalze mit dem Anionenkomplex [ SO₄]^2-. Hierher sortiert man auch die Chromate.
- Beispiele: Anhydrit (CaSO₄), Gips (CaSO₄ · H₂O) Molybdate und Wolframate: Die eng verwandten Molybdate und Wolframate sind Verbindungen eines Metalls mit dem Anionenkomplex [MoO₄]^2- bzw. [WO₄]^2-.
- Beispiele: Wulfenit (PbMoO₄), Wolframit ((Fe,Mn)WO₄) Borate: Zu den etwa 125 Boraten zählen jene Minerale, die den Boratkomplex [BO₃]^3- enthalten.
- Beispiel: Borax (Na₂B₄O₅(OH)₄ · 8 H₂O), Sassolin (H₃BO₃) Silikate: Die Silikate sind etwa 500 Verbindungen, in denen der [ SiO₄]^4--Tetraeder einen wesentlichen Baustein darstellt.
- Beispiele: Olivin ((Mg, Fe)₂SiO₄), Zirkon (ZrSiO₄), Andalusit (Al₂SiO₅), Topas (Al₂SiO₄(OH,F)₂), Beryll (Be₃Al₂Si₆O₁₈), Quarz (SiO₂) Organische Minerale: Hierzu zählen Salze der Mellithsäure und der Oxalsäure.
- Beispiele: Bernstein, Honigstein, Kleesalz Eine Übersicht über alle Mineralartikel findet sich in der Liste von Mineralen; die verwandte Liste der Gesteine deckt Artikel zu individuellen Gesteinen ab.

Literatur

- Deer, W.A., Howie, R.A., und Zussman, J.: Orthosilicates, Band 1 aus: Rock-forming minerals. Longman, London, 2. Ausgabe, 1982.
- Rösler, H. J.: Lehrbuch der Mineralogie, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1991 ISBN 3342002883
- Kleber, W.: Einführung in die Kristallographie, Oldenbourg, 18. bearb. Aufl. 1998, ISBN 3486273191
- Edition Dörfler: Mineralien Enzyklopädie, Nebel Verlag, ISBN 3-89555-076-0

Weblinks

- [http://www.mineralienatlas.de Deutscher Mineralienatlas]
- [http://www.petrefaktum.de/ PETREFAKTUM] - Erdgeschichte Fossilien Mineralien -
- [http://www.minlex.de Mineralienlexikon]
- [http://web2.donzampano.com MinMax Mineralien-Information-System]
- [http://home.arcor.de/geologie-mineralogie/mineralogie-einf.htm#spalt Mineralogie&Geologie]
- [http://www.mindat.org mindat.org - The Mineral Database] - nur englisch, riesige Datenbank mit viel Input der Benutzer
- [http://www.mineralien-sammeln.de/ Datenbank mit Kenndaten der 380 häufigsten Mineralien]
- [http://www.johnbetts-fineminerals.com/jhbnyc/bestgall.htm John Betts Fine Minerals (englisch) - Mineraliengalerie] Kategorie:Mineralogie Kategorie:Bergbau ja:鉱物 simple:Mineral th:แร่

Ingenieurgeologie

Die Ingenieurgeologie ist ein Zweig der Angewandten Geologie und der Geotechnik. Sie versteht sich als Bindeglied zwischen den klassischen Geowissenschaften und dem konstruktiven, bautechnischen Ingenieurwesen. Sie befasst sich mit dem Verhalten von Gesteinen und des Gebirges entsprechend den genetisch bedingten Materialeigenschaften und ihrer erdgeschichtlichen Entwicklung. Sie beschäftigt sich mit den mechanischen und physikalischen Eigenschaften und dem Verhalten von Locker- und Festgesteinen im Einzelnen und im Verband. Ingenieurgeologie ist ein selbstständiges Teilgebiet der Geotechnik, in der verschiedene Geowissenschaften sowie Fachgebiete des Bauingenieurwesens miteinander vernetzt sind. Die gemeinsamen Ziele aller zur Geotechnik beitragenden Fachkomponenten sind die Erkundung, die Nutzung und auch der Schutz der oberen Bereiche der Erdkruste, sowie die Stabilität z.B. von Gebäuden, Berghängen oder Deponien.

Angewandte Geowissenschaft

Ingenieurgeologie ist eine angewandte Geowissenschaft, die nicht nur fachübergreifendes Wissen innerhalb der Naturwissenschaften (Geologie, Chemie, Physik) erfordert, sondern bis in die Ingenieurdisziplinen reicht. Wichtige korrespondierende Fachgebiete sind die Fels- und Bodenmechanik, der Erd- und Grundbau, Fels- und Hohlraumbau, Bohr- und Messtechnik und angewandte Themen der Hydrologie und Hydrogeologie. In interdisziplinärer Zusammenarbeit mit den genannten Nachbardisziplinen und anderen Fachgebieten trägt die Ingenieurgeologie dazu bei, dass Bauwerke aller Art sicher, zweckmäßig und wirtschaftlich gebaut werden können. Dies betrifft den Baugrund für Ingenieurbauwerke wie Verkehrswege, Straßen, Brücken, Tunnel, Kavernen, Talsperren, Gebäude, Hochhäuser, sowie die Nutzung als Deponie- und Speicherraum für Abfälle, Rohstoffe und Wärme. Aufgabe der Ingenieurgeologie ist aber nicht nur der Transport von geologischem Wissen in die Geotechnik, sondern auch umgekehrt der Transport von Ingenieur-Wissen in die Geologie; etwa bei der Untersuchung von Kompaktionsvorgängen.

Aufgaben und Tätigkeitsfelder der Ingenieurgeologen

- Benennung und Klassifizierung (Ansprache) der Böden (Lockergesteine und Festgesteine) für bautechnische Zwecke
- Aufschlussverfahren (Bohrungen und Sondierungen)
- Bohrlochuntersuchungen, WD-Tests, Pumpversuche
- Gründungen und Setzungen
- Baugrundstabilität
- Hang- und Böschungsstabilität
- Rutschungen, Erddruck
- Deponiebau
- Talsperrengeologie
- Verkehrsbau
- Steinbruchgeologie
- Bauen in Senkungs-, Erdfallgebieten
- Bodenverbesserungsmaßnahmen
- Industrielle Absetzanlagen
- Gutachten und Ausschreibungen Kategorie:Geologie Kategorie:Bauingenieurwesen Kategorie:Geotechnik

Festigkeit

Festigkeit ist eine Werkstoffeigenschaft, die beschreibt welchen Widerstand ein Werkstoff dem Versagen entgegensetzt. Je nach Werkstoff und Belastung kann das Versagen zum Beispiel ein Sprödbruch oder eine plastische Verformung sein. Zu unterscheiden ist die Festigkeit von der Härte. Bei der Festigkeit unterscheidet man zwischen den Begriffen der
- Zugfestigkeit
- Formelzeichen:

R_m

- Einheitenzeichen: N/mm² (= MPa)
- und der Fließgrenze (Dehngrenze bzw. Streckgrenze)
- Formelzeichen:

R_p

bzw.

R_e

- Einheitenzeichen: N/mm² (= MPa) Die Dehngrenze wird dabei einer bestimmten plastischen Verformung, z.B. 0,2%, zugeordnet. Man schreibt dann

R_

. Die (ausgeprägte) Streckgrenze spielt nur bei un- und niedriglegierten Stählen in bestimmten Wärmebehandlungszuständen eine Rolle, insbesondere bei Baustahl. In die mechanische Auslegung von Bauteilen fließt der Mindestwert bzw. gewährleistete Wert der Festigkeiten ein. Die Mindestzugfestigkeit liegt beispielsweise bei einem Stahl für den Stahlbau (S235JR - früher St37-2) welcher im Hausbau verwendung findet, je nach Qualität bei 370 N/mm². Seine Mindeststreckgrenze hingegen bei 235 N/mm². Würde man nun in einem Zugversuch eine Probe dieses Stahls, welche einen Querschnitt von 1 mm² hat, mit einer Kraft belasten, müsste diese bei mindestens 370 N liegen um die Probe zu zerreißen. 370 N entsprechen auf der Erde dem Gewicht einer Masse von 37,7 kg. Daraus kann geschlossen werden, dass beim Versuch, mit diesem Stahldraht eine Masse von 37,7 kg oder größer zu heben, ein Versagen des Werkstoffes nicht mehr ausgeschlossen werden kann. Aber auch bei geringeren Belastungen kann der Draht bleibend (plastisch) verformt werden. Da dies meistens nicht zugelassen wird, verwendet man bei der mechanischen Auslegung von Bauteilen häufig die Mindeststreckgrenze (R_e). Dieser Wert beschreibt die Festigkeit eines Werkstoffs bis zur Grenze der elastischen Verformung. Das heißt bei einer Zugkraft F_z von 235 N auf eine Probe mit einem Querschnitt von 1 mm² dehnt sich diese Probe zwar, sie kehrt aber, ohne sich bleibend (plastisch) zu verformen, in ihren Ursprungszustand zurück. Hier lässt sich eine Masse von 23,955 kg (mit 235 N / 9,81 m/s²) ermitteln, mit deren Gewicht dieser Werkstoff im Zugversuch belastet werden kann, sich aber elastisch verhält. Aus Sicherheitsgründen werden die genannten Kennwerte in der technischen Anwendungen grundsätzlich noch durch einen Sicherheitsfaktor dividiert, der die Unsicherheiten bei der Beurteilung der Beanspruchung und die Streuung der Widerstandsgrößen berücksichtigt, aber auch vom möglichen Schaden bei Versagen des Bauteils abhängt. Im Stahlbau liegt der Sicherheitsfaktor unter guten Bedingungen bei 1,2 bis 1,5, in manchen Fällen sind aber auch Beiwerte im Bereich 3 bis 4 notwendig. Da die Kennwerte immer nur im einachsigen Zugversuch ermittelt werden, Bauteile aber oft mehrachsig beansprucht werden, gilt es, eine einachsige Vergleichsspannung zu ermitteln, die dann mit der bekannten Festigkeit verglichen werden kann. Hier haben sich vier sog. Festigkeitshypothesen etabliert, wobei die beiden erstgenannten am häufigsten angewandt werden:
- Hypothese der maximalen Schubspannung (Tresca)
- Gestaltänderungsenergiehypothese (von Mises)
- Hypothese der maximalen Normalspannung
- Hypothese der maximalen Dehnung Bei der Hypothese der maximalen Schubspannung lautet die Formel für die Berechnung der Vergleichsspannung

\sigma_v = \sigma_I - \sigma_

für

\sigma_I > \sigma_ > \sigma_

Bei der Gestaltänderungsenergiehypothese gilt

\sigma_v = \sqrt

Darin sind

\sigma_,\sigma_,\sigma_

die Hauptspannungen. Die beiden anderen Hypothesen sind weniger bedeutend, sind aber bei nahezu hydrostatischen Spannungszuständen (d.h. in drei Achsen gleich großen Spannungen) genauer. Bei schwingungsbeanspruchten Bauteilen besteht ein Sonderfall. Man nennt ihn die Dauerschwingfestigkeit. Siehe auch: Zerreißlänge Kategorie:Festigkeitslehre Kategorie:Werkstoffeigenschaft ja:材料強度学

International Organization for Standardization

Die Internationale Organisation für Normung, Kurzbezeichnung ISO, ist die internationale Vereinigung von Normungsorganisationen aus über 150 Ländern. Die ISO erarbeitet internationale Normen (engl. standards) in allen Bereichen mit Ausnahme der Elektrik und der Elektronik, für die die IEC zuständig ist. Es gibt technische (z.B. MP3 oder Telefonkarten), klassifikatorische (z.B. Ländercodes wie .de, .nl, .jp) und Verfahrensstandards (z.B. Qualitätsmanagement nach ISO 9000). Internationale Normen werden in Englisch veröffentlicht. Die englische Bezeichnung der ISO lautet International Organization for Standardization. Die nationalen Normungsorganisationen sind für Übersetzungen internationaler Normen verantwortlich. Jedes Mitglied der ISO vertritt ein Land, und aus jedem Land kann es nur ein Mitglied geben. Der DIN Deutsches Institut für Normung e. V. (DIN) ist seit 1951 Mitglied der ISO für die Bundesrepublik Deutschland.

Die Kurzbezeichnung ISO

Übersetzungen des Namens Internationale Organisation für Normung ergeben verschiedene Abkürzungen, abhängig von der Sprache, zum Beispiel ION in Deutsch, IOS in Englisch, OIN in Französisch. Deshalb wählte man die einheitliche Kurzbezeichnung ISO, welche vom griechischem Wort "isos" abstammt, das „gleich“ bedeutet. Somit ist die Kurzbezeichnung in jedem Land und jeder Sprache einheitlich.

Wichtige Normen

Einige wichtige Normen oder Standards der ISO sind
- ISO 31 Größen und Einheiten (Quantities and Units)
- ISO 1000 SI-Einheiten und Empfehlungen für den Gebrauch ... (SI units and recommendations for the use of their multiples and of certain other units)
- ISO 129-1 Technische Zeichnungen - Eintragung von Maßen und Toleranzen - Teil 1: Allgemeine Grundlagen
- ISO 216 Papierformate
- ISO 639 (ersetzt durch ISO 639-1) Sprachnamen (language names)
- ISO 646 IA5: 7-Bit-Code für Informationsaustausch
- ISO 1043 Kennzeichnung von Polymerteilen
- ISO 3166 (ersetzt durch ISO 3166-1) Ländercodes (country codes)
- ISO 3297 ISSN
- ISO 4217 Währungscodes (currency codes)
- ISO 5800 Farb-Filmempfindlichkeit
- ISO 7098 Romanisierung des Chinesischen (Pinyin)
- ISO 8331 Leitfaden zur Auswahl, Lagerung, Verwendung und Instandhaltung von Gummi- und Kunststoffschläuchen und Schlauch-Baugruppen
- ISO 8601 International Standard Date and Time Notation
- ISO/IEC 8652 Die Programmiersprache Ada 95
- ISO 8859 Zeichensätze, die ASCII als Untermenge beinhalten (z.B. ISO-8859-1, ISO-8859-2)
- ISO 8879 Standard Generalized Markup Language (SGML)
- ISO 9000 Qualitätsmanagement mit Hilfe der Qualitätssicherungsnormen (incl. ISO 9000-9004)
- ISO 9241 Ergonomische Anforderungen für Bürotätigkeiten mit Bildschirmgeräten
- ISO 9660 Dateisystem für CD-ROMs
- ISO 9899 Die Programmiersprache C
- ISO 10149 (Yellow Book): Physikalisches Format von CD-ROMs
- ISO/IEC 10179:1996 Document Style Semantics and Specification Language (DSSSL)
- ISO 10303 STandard for the Exchange of Product model data (STEP)
- ISO 10646 Universal Character Set (UCS)
- ISO 10965 Texilte floor coverings
- ISO 10599 Autoradios, u.A. Antennenstecker
- ISO 11656 Maschinenteil in Kontakt mit textilen Behandlungsölen
- ISO 11898-1 Road vehicles - Controller area network (CAN) - Part 1: Data link layer and physical signalling
- ISO/IEC 12207 Information Technology - Software Life cycle processes
- ISO 13406-2 Ergonomie von LCD-Bildschirmen
- ISO 14001 - ISO 14064 Umweltmanagementsystem
- ISO 14040 - ISO 14043 Ökobilanzierung
- ISO 14772 Virtual Reality Modelling Language VRML
- ISO/DIS 14825 Geographic Data Format
- ISO/IEC 14882 Die Programmiersprache C++
- ISO 15489 Records Management (siehe auch Records Management beim Enterprise Content Management)
- ISO 15504 Software Process Improvement and Capability dEtermination (SPICE)
- ISO 16845 Road vehicles - Controller area network (CAN) - Conformance test plan
- ISO 17421 OAIS Open Archive Information System, Norm für elektronische Archivsysteme
- ISO/IEC 17799 Information technology - Code of Practice for Information Securirty Management
- ISO 19005 PDF/A normiertes PDF
- ISO 191xx Eine Normenfamilie zum Aufbau von Geoinformationen
- ISO 19107 Geographic Information - Spatial Schema (Raumbezug von Geoinformationen)
- ISO 19109 Geographic Information - Rules for application schema (Regeln zum Erstellen von Anwendungsschemata)
- ISO/IEC 23270 Die Programmiersprache C#

Siehe auch

- Liste von Standards
- OSI-Modell
- Isoimage
- Standardisierung

Weblinks

- http://www.iso.org/ Kategorie:Normungsorganisation ! ja:国際標準化機構 ko:국제 표준화 기구 zh-min-nan:ISO

Vickers

Vickers war ein britischer Rüstungskonzern und Flugzeughersteller. Vickers baute von 1916 bis 1962 u.a. Jagdflugzeuge, Bomber, und Passagierflugzeuge. Vickers war auch am Bau von Luftschiffen beteiligt. So wurde dort beispielsweise zu Beginn der 1930er Jahre das englische Starrluftschiff R100, eines der größten Luftschiffe der Welt, gefertigt. Vickers gehört heute zu BAE SYSTEMS.

Flugzeuge

- Valetta C2
- Viking I
- FB 5 (1914)
- FB 9 (1915)
- FB 12 (1916)
- FB 19 (1916)
- FB 27: Bomber (1917)
- Vimy (1919)
- Vedette: Seeflugzeug (1925)
- Valentia: Transporter (1934)
- Wellington: zweimotoriger Aufklärer/Bomber (1936)
- Viking (1945)
- FB 26 Vampire: Strahlbomber (1946)
- Varsity T1
- Vincent
- Virginia
- Warwick
- Merchantman
- Vanguard (1959)
- Viscount: viermotoriges Turboprop-Verkehrsflugzeug für Kurzstrecken (1948)
- Valiant: vierstrahliger Bomber (1951)
- VC10: vierstrahliger Langstreckenjet (1962)

Siehe auch

- Vickers Maschinengewehr
- Härteprüfung nach Vickers Kategorie:Flugzeughersteller Kategorie:Rüstungshersteller Kategorie:Unternehmen (Großbritannien)

Gewindestift

Eine Schraube, die als Verbindungselement dient, ist prinzipiell ein zylindrischer oder kegelförmig zugespitzter Stift oder Bolzen, auf dem ein Gewinde aufgebracht ist, und der zudem an seinem oberen Ende einen Kopf hat. Das Gewinde kann prinzipiell als Keil betrachtet werden, der zur Platzersparnis bzw. Wirkungsvervielfachung spiralig aufgewickelt ist. Schrauben dienen als lösbare Verbindungen von Bauteilen aller Art, insbesondere soll sie zwei oder mehr Teile so verbinden, dass nur sie selbst auf Zug beansprucht wird und die zu verbindenden Teile durch die Haftreibung fixiert werden. Schrauben werden auch als Scher-Lochleibungsverbindungen eingesetzt oder auf Biegung beansprucht. Schrauben werden zur Anwendung gebracht, indem sie in ein "Muttergewinde" bzw. Innengewinde eingedreht werden und dabei ihre wirksame Länge zunehmend verkürzen, bis sie die zu verbindenden Teile zusammendrücken. Das zugehörige Muttergewinde muss als zusätzliche Schraubenmutter oder in das Verbindungsteil eingeschnittenes Gewinde bereitgestellt werden, oder die Schraube schneidet sich während der Drehung selbst ihr Gewinde in das Material (siehe Schneidschraube, Blechschraube und Holzschraube). Der Kopf mit seiner jeweils speziellen Form dient einerseits als Angriffpunkt für das zugehörige Drehwerkzeug (Schraubenschlüssel, Schraubendreher, Inbusschlüssel etc.) andererseits als Druckfläche zum Andrücken des „obersten“ Teils auf das darunterliegende zu verbindende Teil. Andrücken Schrauben bestehen in der Regel aus einem metallischen Werkstoff und werden in zahlreichen verschiedenen Größen, Formen, Materialien und Oberflächen gefertigt. Es gibt Schrauben mit weniger als einem halben Millimeter Durchmesser für Uhrwerke oder als mannshohe, schenkeldicke Verbindungselemente an Großmaschinen oder Bauwerken. In Zeiten der Elektroschrottverordnung und Altautoverwertungsrichtlinie ist die Schraubverbindung aktueller denn je.

Herstellung

Für die Produktion von Kopfschrauben gibt es heute hauptsächlich zwei Herstellverfahren:
- das Kaltfließpressverfahren auf mehrstufigen Pressen für große Stückzahlen und Durchmesser bis zur Zeit maximal M36. Das Ausgangsmaterial wird als "Draht" auf Spulen aufgewickelt angeliefert und in den Pressen vorgeschalteten Anlagen abgehaspelt, gerichtet und gegebenenfalls auf den gewünschten Durchmesser reduziert. Moderne Kaltfließpressen ("boltmaker") arbeiten heute mehrstufig, d.h. pro Hub sind mehrere Operationen hintereinander verkettet, bspw. Sechskantkopf vorformen, stauchen, entgraten und Gewindeteil reduzieren. Im nachfolgenden Prozess werden die Gewinde durch Gewindewalzmaschinen mit Flachbacken spanlos auf die reduzierten Gewindeteile aufgerollt. Abhängig von Durchmesser und Länge der Schrauben erreichen solche Anlagen Produktionszahlen von mehr als 1000 Stück pro Minute.
- das Warmpressverfahren Schmieden auf Schmiedepressen für kleine bis mittlere Stückzahlen und Durchmesser bis M200. Das in Stangenform eingesetzte Rundmaterial muss zuerst in einem vorbereitenden Arbeitsgang abgelängt werden. Die Abschnitte werden dann ganz oder partiell (in Gas-, Öl- oder Induktionsöfen) auf Schmiedetemperatur (abhängig vom Werkstoff; bis zu 1250 °C) erwärmt und in Pressen partiell umgeformt. Zur Fertigstellung solcher Schrauben werden anschließend zerspanende Verfahren (CNC-Drehen, Gewindeschneiden) angewandt, wobei die Gewinde heute überwiegend spanlos auf Gewinderollmaschinen (2 oder 3 Rollen Maschinen mit Rollkräften bis 1200 kN) hergestellt werden. Aus Kostengründen weniger gebraucht wird heute die Fertigung großer Stückzahlen von Schrauben und Muttern auf automatischen Drehmaschinen. Bei kleinen Stückzahlen ist aber die Fertigung auf Drehmaschinen immer noch gebräuchlich. Kleinere Gewindeabmessungen werden dabei mit Hilfe von Gewindebohrern (für Innengewinde) und Schneideisen (für Außengewinde) hergestellt. Diese beiden Werkzeuge werden auch für die Herstellung von Gewinden von Hand gebraucht.

Korrosionsschutz

Schwach korrodierende Schrauben (abhängig von den Umgebungsbedingungen) bestehen aus nichtrostendem Stahl, Nickellegierungen, Kupferlegierungen, Kunststoffen, gelegentlich Aluminium und anderen Werkstoffen. Stahlschrauben werden durch unterschiedliche Oberflächenbehandlungen gegen Korrosion geschützt.
- Blanke Schrauben (umgangssprachlich "schwarze" Schrauben) korrodieren am schnellsten. Sie benötigen nach der Montage eine Schutzbeschichtung (z.B. Korrosionsschutzfarbe), wenn sie nicht unter korrosionsfreien oder -armen Bedingungen verwendet werden. Die meisten Schrauben werden bereits beim Hersteller beschichtet:
- Brünierung: (auch geschwärzte Schrauben genannt), dabei wird eine dünne, festanhaftende dunkelbraune bis schwarze Oxidschicht (Eisenoxiduloxid - Fe₃O₄) durch Tauchen in eine erhitzte, stark alkalische Salz