Metallkunde für das Maschinenwesen

Wenn ein Lehrbuch über Metallkunde sich speziell an den Ingenieur des Maschinenbaus wenden soll, ist es sinnvoll, einige Überlegungen anzustellen, wie die Lehre von den Werkstoffen, im besonderen von den Metallen, im Maschinenwesen angesiedelt ist. Dazu ist zunächst die Art und Zielsetzung der Ingenieurausbildung zu betrachten, die gegenüber anderen naturwissenschaftlichen Fächern ihr besonderes Profil besitzt. Aufgabe des Ingenieurs ist es, naturwissenschaftliche Erkenntnisse so umzusetzen, daß diese technisch nutzbar werden, also zu wirtschaftlichem, gesellschaftlichem und zivilisatorischem Fortschritt führen. Dazu hat sich der Ingenieur mit naturwissenschaftlichen und mathematischen Grundlagen zu beschäftigen, die ihn in die Lage versetzen, Funktionsweise, Verfahrensabläufe, Reaktionen und Folgen analytisch zu verstehen. Mit Hilfe dieser analytischen Fähigkeiten sind dann die schöpferischen Aufgaben zu bewältigen, die darin bestehen, durch geeignete konstruktive Synthesen technische Einrichtungen, Maschinen und Anlagen zu schaffen, mit deren Hilfe die Grundlagenerkenntnisse zu praktisch nutzbarer Technik werden.

Die Fähigkeit, mit Hilfe der zur Verfügung stehenden Ressourcen geeignete Werkstoffe bereitstellen zu können, ist Voraussetzung, um naturwissenschaftliche Erkenntnisse in eine anwendbare, nutzbringende und zivilisatorisch umsetzbare Technik zu transferieren. Die Gewinnung und die Beherrschung des Werkstoffs, im Sinne der Fähigkeit seine Eigenschaften zu steuern und den Beanspruchungen optimal anzupassen, wird auf diese Weise zum Schlüssel, mit dem es unter der Verantwortlichkeit des Ingenieurs ermöglicht wird, wissenschaftliche Erkenntnisse in Lebensqualität zu überführen.

In gleicher Weise, wie ein Bauteil durch Berechnung und Gestaltung den Anforderungen einer Maschine oder Anlage angepaßt werden muß, so läßt sich vergleichbar auch der Werkstoff in seinen Eigenschaften vielfältigen Beanspruchungen und zum Teil sich sogar widersprechenden Forderungen anpassen. Ganz besonders bietet der metallische Werkstoff die Möglichkeit, in einer umfassenden Weise über eine außergewöhnlich weite Bandbreite durch gezielte Beeinflussung seines Aufbaus gewissermaßen den Anforderungen entsprechend „konstruiert“ zu werden. Die außergewöhnliche Variabilität metallischer Werkstoffe läßt sich am Beispiel des Eisens eindrucksvoll veranschaulichen. Reinsteisen weist eine Elastizitätsgrenze, d. h. einen Beginn der plastischen Verformung, bei R _p = 10 N/mm² auf. Durch Zulegierung von nur 0,8% Kohlenstoff und durch geeignete Wärmebehandlung läßt sich der Beginn der plastischen Verformung auf Werte von etwa 2000 N/mm² einstellen.

Um im Sinne dieser Darstellung einer Metallkunde für das Maschinenwesen die Eigenschaften des Werkstoffs mit Struktur und Gefüge verknüpfen zu können und um damit das Zustandekommen des Werkstoffverhaltens zu verstehen, ist es erforderlich, die Morphologie des Werkstoffs zu beschreiben und aufzuzeigen, wie diese der Untersuchung zugänglich zu machen ist. Im wesentlichen dienen dazu Untersuchungsverfahren, die sich in zwei Hauptgruppen einteilen lassen:

Zur Darstellung des Verhaltens und der Eigenschaften metallischer Werkstoffe wird vom Atombau ausgegangen. Dabei lassen sich bereits auf der Grundlage einer vereinfachten Darstellung des Atombaus viele Eigenschaften insbesondere der Metalle erklären. Die strenge Folgerichtigkeit im Atombau kommt im Ordnungsprinzip des periodischen Systems zum Ausdruck.

Die kristalline Struktur eines metallischen Werkstoffs ergibt sich aus der regelmäßigen räumlichen Anordnung der Atome metallischer Elemente. Darüber hinaus ergeben sich auch Strukturen aus der gesetzmäßigen Anordnung von Metallatomen und Nichtmetallatomen, wobei dann nicht mehr rein metallische Bindungsformen und Eigenschaften vorliegen.

Das Gefüge und die Möglichkeiten zu dessen Beeinflussung sind maßgebend für zahlreiche die technische Anwendung bestimmende Eigenschaften der metallischen Werkstoffe. Der enge Zusammenhang zwischen Gefüge und Eigenschaften erlaubt eine Eigenschaftssteuerung durch gezielte Einstellung des Gefüges, z. B. durch Wärmebehandlungsmaßnahmen und durch Warm- und Kaltformgebung. Auf diese Weise läßt sich ein Werkstoff durch planmäßigen Aufbau seines Gefüges gewissermaßen konstruieren und spezifischen Anforderungen anpassen. Diese Möglichkeit, dem Werkstoff gezielt bestimmte Eigenschaften einzuprägen, läßt sich aus der Definition des Gefüges verstehen. Die ungestörte Struktur des Metalls, d. h. das mit bestimmten Atomarten besetzte Gitter, gibt bereits einige Eigenschaften vor. So ist die Anzahl der bei der Verformung der Struktur möglichen Gleitebenen und -richtungen abhängig vom Gittertyp. In folgerichtiger Weise ergibt sich ebenso auch eine Richtungsabhängigkeit — die Anisotropie — einiger anderer physikalischer Kennwerte. Nachhaltig erfahren jedoch insbesondere die mechanischen Kennwerte eine Beeinflussung durch die strukturelle Fehlordnung, also durch Baufehler in der Struktur, wodurch sich das Gefüge ergibt.