Physikalische Grundlagen der Materialkunde

Bei einem fertigen Bauteil fällt zunächst nur seine Funktion oder äußere Erscheinungsform ins Auge, zum Beispiel ein Schmuckstück aus Edelmetall, der Motor eines PKW, das Seil einer Hängebrücke, der Draht eines elektrischen Kabels, die dunklen wärmedämmenden Scheiben eines modernen Bürogebäudes oder die dekorative Gebrauchskeramik und Metallarmatur eines modernen Bades. Die Gebrauchsfähigkeit eines Gegenstandes für eine bestimmte Anwendung wird aber durch die Eigenschaften des Werkstoffs bestimmt, aus dem das Bauteil gefertigt wurde. Wir verlassen uns unbewußt auf die Festigkeit des mächtigen Stahlseiles, das eine Brücke hält, auf die Stoßunempfindlichkeit der keramischen Ofenplatte oder die Zuverlässigkeit der kleinen metallischen Schaufeln, die bei Temperaturen von über 1000°C der Flugturbine ihre mächtige Schubkraft verleihen. Moderne Werkstoffe erhalten ihre speziellen Eigenschaften weniger durch ihre chemische Zusammensetzung als vielmehr durch eine spezielle Anordnung ihrer spezifischen Bauelemente, die sich in der Regel unserer direkten Beobachtung entziehen, und die wir in der Werkstofftechnik unter den Begriffen Gefüge oder Mikrostruktur zusammenfassen.

Die Bausteine der festen Materie sind die Atome, die aus dem Atomkern und der Elektronenhülle bestehen. Die Eigenschaften der Festkörper werden dabei ganz überwiegend von der Elektronenhülle bestimmt.

Kristalle sind niemals fehlerfrei. Das folgt ganz fundamental aus den thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten, was wir in Abschn. 3.2.2 zeigen werden. Realkristalle weichen allerdings in ihrer Fehlordnung weit vom thermodynamischen Gleichgewicht ab, weil es gewöhnlich an Mechanismen fehlt, das thermodynamische Gleichgewicht einzustellen. Wir unterscheiden verschiedene Arten von Kristallbaufehlern, die wir am einfachsten nach ihren Dimensionen klassifizieren können: die Leerstellen und Zwischengitteratome (nulldimensionale Punktfehler), die Versetzungen (eindimensionale Linienfehler) und die Korn- und Phasengrenzen (zweidimensionale Flächenfehler). Häufig werden auch andere Phasen als dreidimensionale Fehler eingeführt. Allerdings sind diese Phasen Bestandteil des thermischen Gleichgewichts und der eigentliche Fehler, die Phasengrenzfläche, kann unter den zweidimensionalen Fehlern subsummiert werden.

Materie kann bekanntlich in drei verschiedenen Aggregatzuständen vorliegen, nämlich gasförmig, flüssig oder fest. Wir sind gewohnt, die Existenz dieser Aggregatzustände bestimmten, für das jeweilige Material spezifischen Temperaturbereichen zuzuordnen, wobei die Schmelztemperatur T _m den Fest-Flüssig-Bereich und die Siedetemperatur T_b den Flüssig-Gasförmigen Bereich trennt. Bei T_m und T_b sind zwei Aggregatzustände miteinander im Gleichgewicht. Schmelz- und Siedetemperatur sind druckabhängig, wenn auch bei den meisten Metallen nur geringfügig.

Die Eigenschaftsänderungen durch Wärmebehandlung machen metallische Werkstoffe häufig erst zu brauchbaren Konstruktionswerkstoffen. Durch eine Wärmebehandlung im Anschluß an plastische Verformung werden insbesondere die mechanischen Eigenschaften und die Mikrostruktur beeinflußt, weniger dagegen die physikalischen Eigenschaften (elektrischer Widerstand) (Abb. 7.1).

Zum Schmelzen eines metallischen Festkörpers muß eine gewisse Wärmemenge aufgebracht werden, die Schmelzwärme. Die verschiedenen Metalle schmelzen bei sehr unterschiedlichen Temperaturen. Das hängt mit den Bindungskräften zwischen den Atomen zusammen. Am Schmelzpunkt T_m muß die thermische Energie (pro Mol RT_m) von der gleichen Größenordnung wie die Bindungsenergie (Schmelzwärme pro Mol H_m) sein: H_m = RT_m (Richardsche Regel).

Die Kristallstruktur eines Metalls muß nicht notwendigerweise bei allen Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes stabil sein. Das rührt daher, daß ein Metall diejenige Kristallstruktur einnimmt, die der geringsten freien Enthalpie entspricht, auch wenn andere Kristallstrukturen nur eine geringfügig höhere Energie besitzen. Letzteres ist sogar fast immer der Fall: die Bindungsenergie E0 eines Metalls wird nur sehr wenig von seiner Atomanordnung bestimmt. Zum Beispiel macht die Umwandlungswärme des Natriums von der krz zur hexagonalen Struktur (bei 36 K) nur E₀/1000 aus. Die Hauptbeiträge der Bindung werden durch die Elektronenstruktur bestimmt, wobei kleine Anderungen zu einer Instabilität der Kristallstruktur führen können, z.B. durch innere Felder beim Ferromagnetismus. Letzteres ist der Grund für die ferromagnetische krz-Struktur des Eisens (α-Fe) bei niedrigen Temperaturen.

Die Eigenschaften eines Festkörpers sind grundsätzlich Eigenschaften der Elektronenstruktur seiner Bauteile, nämlich der Atome. Die Existenz des festen Zustandes als stabiler Tieftemperaturaggregatzustand macht deutlich, daß es zwischen den Atomen eines Elementes eine Anziehungskraft gibt. Bei weiter Entfernung zweier Atome voneinander ist diese Anziehungskraft sehr klein und rührt von dem Dipolmoment der Elektronenstruktur her. Dieses Dipolmoment stammt, vereinfacht ausgedrückt, daher, daß die Schwerpunkte der positiven Ladung (Atomkern) und der negativen Ladung (Atomhülle) nie völlig gleich, sondern aufgrund von Fluktuationen immer etwas verschieden sind.