Werkstoffe

Lernziel: Im zweiten Kapitel befassen wir uns mit dem Aufbau fester Phasen. Dabei beginnen wir bei Atomen und den chemischen Bindungen zwischen Atomen, die eng mit ihrer Elektronenstruktur zusammenhängen. Wir lernen die Ionenbindung, die metallische Bindung und die kovalente Bindung kennen. Desweiteren besprechen wir den regelmäßigen Aufbau von Kristallen, der das Bauprinzip dichteste Packung widerspiegelt. Wir werfen einen ersten Blick auf wichtige Gitterfehler (Leerstellen, Versetzungen und innere Grenzflächen), die die kristalline Ordnung stören und die wichtige Werkstoffeigenschaften stark prägen.

Lernziel: Im vorigen Kapitel hatten wir uns mit dem Aufbau reiner fester Phasen beschäftigt. Werkstoffe bestehen jedoch in der Regel aus mehreren Elementen und ihre Mikrostrukturen sind in der Regel nicht einphasig sondern mehrphasig. Deshalb geht es in diesem Kapitel um Mischphasen und um Phasengemische. Wir besprechen einige thermodynamische Grundlagen heterogener Gleichgewichte und lernen Zwei- und Mehrstoffsysteme kennen. Dann behandeln wir erste Grundlagen von Strukturbildungsprozessen. Dazu gehört die Keimbildung zu Beginn einer Phasenumwandlung, die wir zunächst am Beispiel des Erstarrens einer Schmelze diskutieren.

Lernziel: Über die Wärmebehandlung von Werkstoffen werden viele wichtige Werkstoffeigenschaften eingestellt und wir müssen deshalb die Grundlagen derWärmebehandlung verstehen. Deshalb befassen wir uns in diesem Kapitel zunächst mit der Diffusion, die die Beweglichkeit von Atomen in Festkörpern beschreibt. Wir lernen die beiden Fickschen Gesetze kennen und wir werden sehen, dass der erste Schritt zur Lösung eines Diffusionsproblems im Erarbeiten einer geeigneten Lösung des zweiten Fickschen Gesetzes besteht, die die Entwicklung von Konzentrationen im Verlauf von Diffusionsprozessen als Funktion von Zeit und Ort beschreibt. Wir behandeln dann die Erholung und die Rekristallisation, zwei Prozesse, die bei einer Wärmebehandlung im Anschluss an eine Kaltverformung (bei der die Versetzungsdichte ansteigt) auftreten. Es folgen Überlegungen zur Entstehung glasartiger Strukturen und zur Ausscheidung aus übersättigten Mischkristallen bzw. zur Kristallisation in polymeren Phasen.

Lernziel: Die mechanischen Eigenschaften von Werktstoffen legen fest, für welche Anwendungen sie eingesetzt werden können. Ein Konstrukteur braucht Werkstoffkennwerte, auf deren Grundlage er Bauteile auslegen kann. Ein Werkstoffhersteller muss wissen, was zu tun ist, um die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen zu verbessern. Vor diesem Hintergrund verschaffen wir uns zunächst einen Überblick über die verschiedenen mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffs. Wir behandeln dann die Elastizität von Werkstoffen und lernen den Elastizitätsmodul E und den Schubmodul G kennen.

Lernziel: In diesem Kapitel behandeln wir eine Reihe von Eigenschaften, die nicht mechanischer und nicht chemischer Natur sind und die wir deshalb unter dem Oberbegriff physikalische Eigenschaften zusammenfassen. Die hier genannten Eigenschaften spielen für so genannte Funktionswerkstoffe eine Rolle, die Strom, Licht und Wärme leiten, als Speicher für Energie und Information dienen oder Sensor- und Aktoraufgaben erfüllen. Wir beginnen mit kernphysikalischen Eigenschaften und diskutieren Reaktionen in Kernreaktoren und Zustandsdiagramme von Kernbrennstoffen. Dabei lernen wir auch Strahlenschäden kennen, die für Werkstoffe in der Kerntechnik eine Rolle spielen. Dann besprechen wir elektrische Eigenschaften von Werkstoffen und diskutieren die Temperatur- und Gefügeabhängigkeit des spezifischen Widerstandes verschiedener Werkstoffe. Wir lernen den Aufbau einer Solarzelle, eines Bleiakkumulators und einer Brennstoffzelle kennen.

Lernziel: Nach den mechanischen und physikalischen Eigenschaften besprechen wir in diesem Kapitel chemischen Eigenschaften von Werkstoffen, die in der Regel durch Oberflüchenreaktionen bestimmt werden. Oberflüchenreaktionen können den Bruch eines Werkstoffes beschleunigen. Sie sind auch ein Bestandteil des Beanspruchungskollektivs, dem ein Werkstoff bei Verschleißbelastung standhalten muss. Wir verschaffen uns zunüchst eine Übersicht über verschiedene Oberflüchenreaktionen. Dann werden die elektrochemischen Grundlagen besprochen wie die Eigenschaften von Elektrolyten und die Spannungsreihe der Metalle. Es folgt ein Überblick über die Korrosion in wüssrigen Lösungen (nasse Korrosion). Dann wird das Verzundern, die Korrosion von Metallen in heißen Gasen besprochen. Wir besprechen dann die Spannungsrisskorrosion, und diskutieren die Rolle von Grenzflüchenenergien bei Oberflüchenreaktionen. Abschließend folgt eine genaue Betrachtung von Reibungs- und Verschleißphünomenen.

Lernziel: Zu den keramischen Werkstoffen zählen wir eine große Zahl nichtmetallischer und anorganischer Werkstoffe, bei denen der elektrische Widerstand (im Gegensatz zu den Metallen) mit steigender Temperatur abnimmt. Keramiken zeichnen sich in der Regel durch hohe Druckfestigkeit, hohe Temperaturbest ändigkeit und eine hohe chemische Beständigkeit aus. Keramiken können kristallin und amorph (als Glas) vorliegen. Es gibt einatomare keramische Stoffe, wie Graphit oder Diamant.

Lernziel: Ein großer Teil der chemischen Elemente sind Metalle. Diese weisen wegen der Natur der metallischen Bindung eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit auf und lassen sich meist einfach plastisch verformen. Reine Metalle sind in der Regel nicht direkt als Werkstoffe verwendbar, sie sind zu weich. Durch Legieren und geeignete mechanische und thermische Behandlungen kann man die Festigkeit metallischer Werkstoffe steigern. Dies gelingt über Mischkristallhärtung, Ausscheidungshärtung, Härtung durch Kaltverfestigung und Umwandlungshärtung. Festigkeitssteigerung in metallischen Werkstoffen erreicht man, wenn man die Bildung von Versetzungen erschwert bzw. deren Beweglichkeit behindert. Die Ausscheidungsh ärtung spielt zum Beispiel in Aluminiumlegierungen und Nickellegierungen eine Rolle.

Lernziel: Polymere Werkstoffe sind leicht und weisen eine niedrige elektrische Leitfähigkeit und sehr gute Korrosionsbeständigkeit auf. Sie lassen sich bei niedrigen Temperaturen verarbeiten. Außerdem sind sie flexibel (Gummi) und weisen relativ hohe Atomabstände auf, weshalb sie auch als Membranen Anwendung finden. Man braucht einige Grundkenntnisse aus der organischen Chemie, um polymereWerkstoffe verstehen zu können. Grundbausteine von Polymeren sind Makromoleküle, in denen sich viele Monomere zu einer Kette aus vielen hundert Monomeren verbinden. Eine wichtige Rolle beim Aufbau einer Kette spielt die sp³-Hybridisierung der Kohlenstoffatome. Die Kohlenstoff-Ketten können unvernetzt (Thermoplaste), leicht vernetzt (Elastomere) und stark vernetzt sein (Duromere). Sie können ungeordnete Knäuel oder ausgerichtete kristallähnliche Strukturen bilden. An den Ketten können in unregelmäßigen oder regelmäßigen Abständen Reste hängen.

Lernziel: Verbundwerkstoffe stellt man her, indem man verschiedene Werkstoffe (wie Glasfasern und Kunststoff oder Aluminiumlegierungen mit Aluminiumoxidfasern) kombiniert. Man kann maßgeschneiderte Eigenschaften einstellen, die die Werkstoffe, aus denen der Verbundwerkstoff aufgebaut ist, alleine nicht aufweisen. Oft werden auch zwei- und mehrphasige Gefüge zu den Verbundwerkstoffen gerechnet (Ausscheidungsteilchen und Matrix). Will man die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen verstehen, muss man zunächst die räumliche Anordnung der verschiedenen Bestandteile des Verbundwerkstoffs im Gefüge betrachten. Kugeln, Fasern, Stäbe und Platten einer Phase (bzw. eines Werkstoffs) können in verschiedenen Volumenbruchteilen in unterschiedlicher Homogenität und Ausrichtung im Gefüge des Verbundwerkstoffs verteilt sein.

Lernziel: Werkstoffeigenschaften ermitteln wir an Proben, die wir Halbzeugen oder Bauteilen entnehmen. Ein Halbzeug wird in einem Fertigungsprozess zum Bauteil oder Produkt weiterverarbeitet, wie zum Beispiel ein Blech, das in einem Tiefziehprozess zu einer Fahrzeugtür geformt wird (Umformen). Es gibt auch Fälle, wo Bauteile endkonturnah gefertigt werden, wie zum Beispiel im Vakuumfeinguss hergestellte Turbinenschaufeln (Urformen). Die Form von Halbzeugen ist in der Regel genormt und ihre Herstellung ist an bestimmte Prozessparameter gebunden. Ein Werkstoff muss zwei Bedingungen erfüllen. Er muss zu konkurrenzfähigen Kosten in eine vom Konstrukteur gewünschte Form gebracht werden können und im Gebrauch die erforderlichen Eigenschaften aufweisen. In diesem Kapitel führen wir die Begriffe Halbzeug und Bauteil ein und überlegen uns, dass für die Herstellung eines Bauteils immer mehrere Fertigungsschritte erforderlich sind.

Lernziel: In diesem Kapitel diskutieren wir die Bedeutung von technisch nützlichen Werkstoffen vor dem Hintergrund der Knappheit von Ressourcen, der zunehmenden Umweltbelastung und der zunehmenden Bedeutung des Recyclings. Solche Zusammenhänge werden auf der Grundlage von Stoffkreisl äufen und Energiebilanzen diskutiert. Heute ist nicht mehr die Menge an produzierten Werkstoffen das alleinige Maß für die Leistungsfähigkeit einer technischen Gesellschaft. Entscheidend ist vielmehr, dass man leistungsund konkurrenzfähige Werkstoffe bereitstellen kann, die mit möglichst wenig Masse eine hohe Funktionsdichte bereitstellen. Wir machen uns klar, was technischer Nutzen bedeutet und dass es eine enge Verbindung zwischen Werkstoffen und Energie gibt. Wir besprechen Gesichtspunkte, die bei der Auswahl von Werkstoffen wichtig sind und machen uns Gedanken zum Verbrauch an Lebensdauer während der Nutzung eines Werkstoffs und schließlich über die begrenzte Lebensdauer von Werkstoffen und Werkstoffversagen. Diese Aspekte müssen bei der Werkstoffauswahl gegeneinander abgewogen werden, wobei in der Werkstofftechnik immer auch finanzielle Rahmenbedingungen berücksichtigt werden müssen.