Werkstoffe

Alle Werkstoffe sind feste Stoffe, die den Menschen für den Bau von Maschinen, Gebäuden, aber auch zum Ersatz von Körperteilen als Implantate, oder zur Realisierung künstlerischer Visionen nützlich sind. Die Festkörperphysik, die physikalische Chemie und einige in diesen Wissenschaften enthaltenen Sondergebiete — wie die Kristallographie — haben die Aufgabe, die Bildung, den Aufbau und die Eigenschaften dieser Stoffe zu untersuchen. Die technische Ausnutzung der Eigenschaften steht bei ihnen nicht im Vordergrund, sondern die Vermehrung unserer Kenntnisse über deren Ursachen. Derartige physikalische Eigenschaften sind z. B. die elektrische und die thermische Leitfähigkeit, die Dichte, die Schmelztemperatur, das chemische Reaktionsvermögen, die Elastizität und die plastische Verformbarkeit.

Beim Studium des Aufbaus der Werkstoffe können verschiedene strukturelle Ebenen unterschieden werden (Tab. 1.1). Den Makrostrukturen der Technik stehen die Mikrostrukturen der Werkstoffe gegenüber.

Die Werkstoffe sind aus Atomen aufgebaut, die entweder in einer Kristall- oder in einer Glasstruktur angeordnet sind. Insbesondere in den Polymeren sind die Atome zu Molekülen verbunden, die als die eigentlichen Grundbausteine des Werkstoffes angesehen werden können. Kristalline Werkstoffe können wiederum aus einem einzigen Kristall bestehen oder aus einem Haufwerk von Kristallen, sog. Körnern, die durch Korngrenzen getrennt sind. Sehr viele Werkstoffe sind nicht nur aus einer einzigen Kristallart, sondern aus zwei oder mehreren Kristallarten zusammengesetzt. Ein Bereich mit konstanter Struktur (Geometrie der Atompositionen) und chemischer (Art der Atome) Zusammensetzung, der durch Grenzflächen von seiner Umgebung getrennt ist, wird als Phase bezeichnet.

Die Zustandsdiagramme geben denjenigen Zustand an, den der Stoff im Gleichgewicht anstrebt. Viele wichtige Werkstoffeigenschaften werden aber durch Zustände erzielt, die auf dem Wege zum Gleichgewicht entstehen, aber noch nicht dem endgültigen Gleichgewichtszustand entsprechen. Wesentliches Element einer solchen Behandlung des Werkstoffs ist eine kontrollierte Erwärmung. Oft werden diese Wärmebehandlungen nach dem technischen Ziel benannt: Härten, Aushärten, Weichglühen, Spannungsfreiglühen. Ziel der Wärmebehandlung kann auch sein, eine bestimmte Korngröße oder Textur herzustellen. Beim Nitrierhärten oder Einsatzhärten (Aufkohlen) von Stahl dringen während der Erwärmung Atome aus der Umgebung in den Werkstoff ein. In einigen Fällen wird auch durch eine Kältebehandlung, zum Beispiel durch Eintauchen in flüssigen Stickstoff, die Eigenschaft eines Werkstoffs — meist in Zusammenhang mit martensitischer Umwandlung, verbessert. Der Verlauf von Wärmebehandlungen wird in Temperatur-Zeit-Diagrammen dargestellt (Bild 3.1 a-d). Die Temperaturen T folgen aus den Zustandsdiagrammen. Glühdauer, Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten werden durch Diffusionsvorgänge bestimmt.

Die Qualität der Strukturwerkstoffe hängt vor allem von ihren mechanischen Eigenschaften ab. Durch genormte Prüfverfahren erhält der Konstrukteur Zahlenangaben über Elastizitätsmodul, Zug-, Schwing- und Zeitstandfestigkeit oder Dehnung beim Bruch (Abschn.0.5; Literatur zu Kap.0). Diese Prüfverfahren allein geben aber noch keinen Hinweis auf die Möglichkeit zur Verbesserung der Eigenschaften und auf die Ursachen von Fehlerscheinungen. Dazu sind Kenntnisse über die mikroskopischen Ursachen der mechanischen Eigenschaften notwendig. Folgende Forderungen werden im Allgemeinen an einen Strukturwerkstoff gestellt:

In diesem Abschnitt ist von Funktionswerkstoffen die Rede. Wie bereits erwähnt, sollen sie nicht-mechanische Funktionen erfüllen: sie leiten elektrischen Strom, Wärme, Licht, dienen als Speicher für Energie (Batterien) und Information (Disketten, Tonbänder) oder als Sensoren in der Meß- und Regelungstechnik.

Werkstoffe können mechanisch, thermisch, tribologisch und chemisch beansprucht werden. Daraus folgen vier Hauptgruppen von Vorgängen, die zum Versagen von Werkstoffen führen können: Bruch (B), Verschleiß (V) und Korrosion (K) (Bild 6.1) und Schmelzen, das in Kapitel 2 bereits erörtert wurde. Ihre systematische Darstellung zeigt, daß es Kombinationen aus diesen Vorgängen gibt, z.B.

Zu dieser großen Gruppe gehören alle nichtmetallischen und anorganischen Werkstoffe. Die Grenze zwischen keramischen und metallischen Wirkstoffen wird präzise mit Hilfe des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands definiert, der in Metallen ein positives, in keramischen Stoffen ein negatives Vorzeichen hat. Die Grenze der keramischen Werkstoffe zu den hochpolymeren Kunststoffen muß von der molekularen Struktur her festgelegt werden. Die Kunststoffe besitzen diskrete Moleküle, nämlich Ketten, in denen die Kohlenstoffatome kovalent miteinander verbunden sind. Diese Moleküle sind im Kunststoff durch schwache Van-der-Waalssche Bindung oder Brücken verbunden. Im keramischen Werkstoff gibt es keine diskreten Moleküle, sondern räumliche Anordnungen einer oder mehrerer Atomarten, entweder geordnet als Kristallgitter oder regellos als Glas.

Die metallischen Werkstoffe bilden die wichtigste Gruppe der Strukturwerkstoffe, d. h. der Werkstoffe, bei denen es vor allem auf die mechanischen Eigenschaften (Kap. 4) ankommt. Kennzeichnend für Metalle ist, daß sich ein Teil ihrer Elektronen unabhängig von den Atomrümpfen bewegen können. Die Folge davon ist die hohe Reflektionsfähigkeit für Licht, elektrische und thermische Leitfähigkeit und ihre Neigung, in dichtesten Kugelpackungen zu kristallisieren. Diese dichtest gepackten Kristalle können auch bei tiefen Temperaturen plastisch verformt werden. Metalle sind deshalb die einzige Werkstoffgruppe, die zwischen 0K und der Schmelztemperatur plastisch und bruchzäh sein kann. Demgegenüber sind keramische Kristalle nur dicht unterhalb der Schmelztemperatur geringfügig plastisch. Anorganische und organische Glasstrukturen sind ebenfalls nur bei erhöhten Temperaturen durch viskoses Fließen plastisch zu verformen.

Die Verwendung organischer Substanzen als Werkstoffe ist nicht neu. Natürliche Stoffe wie Holz, Leder, Kautschuk und pflanzliche (Baumwolle, Sisal, Hanf) oder tierische Fasern (Wolle, Seide) werden ganz sicher schon länger verwendet als Metalle. Neu ist nur die künstliche Herstellung organischer Werkstoffe mit dem Ziel, die Eigenschaften der natürlichen Werkstoffe zu übertreffen, andere Werkstoffe zu ersetzen und neue technische Eigenschaften zu erreichen. So ist auch der Name Kunststoffe für diese Werkstoffgruppe entstanden. Beispiele für neue Eigenschaften sind die besonderen tribologischen Eigenschaften des Polytetrafluoräthylen (PTFE) (Kap. 9.6) oder die elektrischen Eigenschaften des Polyäthylens (Abschn.5.2).

Die Kombination von zwei verschiedenen Phasen oder Werkstoffen mit dem Ziel, einen Werkstoff mit neuen, besseren Eigenschaften zu erhalten, ist nicht neu. So besteht der Damaszenerstahl aus dünnen Schichten von härtbarem Stahl, eingebettet in weichem, kohlenstoffarmen Eisen (Abschn. 8.5). Auf diese Weise entsteht ein Werkstoff, der hohe Festigkeit der Schneide mit geringer Neigung zu Bruchbildung verbindet. Die Bereiche des weichen Stahls hindern die in den harten Zonen entstehenden Risse durch plastische Verformung am Weiterwachsen (Abschn. 4.4). Noch weiter zurück liegt die »Erfindung« der organischen Verbundwerkstoffe. Das Holz besteht im wesentlichen aus festen Zellulosefasern, die durch Lignin verbunden werden. Es entsteht ein Werkstoff mit einem ausgezeichneten Verhältnis von Zugfestigkeit (in der Faserrichtung) zur Dichte, der auch durch die neuesten Entwicklungen künstlich hergestellter Verbundstoffe kaum übertroffen wird. Die geringe Zugfestigkeit keramischer Stoffe wie Beton und Fensterglas kann verbessert werden, wenn sie mit Metallen kombiniert werden. Das führt mit dem Stahlbeton und dem metalldrahtverstärkten Glas zu Verbundwerkstoffen, die auch Zugspannungen ausgesetzt werden können. Die Bimetalle sind Verbundwerkstoffe mit Eigenschaften, die ihre Komponenten nicht zeigen. Zwei Metalle mit möglichst unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten α (Abschn. 5.6) werden als Bänder miteinander verschweißt. Bei Temperaturänderungen biegen sie sich. Für temperaturabhängige Regelungsprozesse sind sie deshalb sehr nützlich (Funktionswerkstoffe, Sensor + Stellglied).

Die Werkstoffe werden nicht in den einfachen Formen der Proben (Kap. 4.2 und 4.4) verwendet, sondern als Halbzeug oder Bauteil. Das Halbzeug ist eine Form »auf halbem Wege« zum endgültigen Teil: ein Blech, bevor es durch Tiefziehen zum Topf wird. Halbzeuge sind Bleche, Bänder, Stangen mit vielerlei Profilen: Kreis, Quadrat, Rechteck, Winkel, U-, T- und Doppel T-Profile bis zu komplizierten, meist durch Strangpressen (Extrudieren) hergestellten Formen, wie sie für Fenster und Fassadenteile in der Architektur verwendet werden (Bild 11.1). Diese Formen und deren Abmessungen sind genormt (A.5). In der Nomenklatur spielen die Abmessungen oft eine Rolle. So wird zwischen Grob- (d > 6 mm), Mittel- (6 > d < 3), und Feinblechen (d < 3 mm) unterschieden. Teile sind Lagerschale und Welle, Kolben und Zylinder, Schraube und Mutter, Spule und Spulenkern und Halbleiterchip und Speicherplatte. Sie werden meist zu Systemen höherer Ordnung zusammengefügt.

Die Werkstoffe sind mit den drei Grundphänomenen eng verknüpft. Zu ihrer Herstellung werden Rohstoffe benötigt, die Atomarten enthalten, aus denen die Werkstoffe aufgebaut werden sollen. Eine wesentliche und erfreuliche Folge moderner technischer Entwicklung ist, daß pro technischem Nutzen immer weniger Werkstoff gebraucht wird (Bild 12.1), also die Rohstoffvorräte geschont werden. Dies ist, neben verbesserten Konstruktionsmethoden, insbesondere auf neue sowie in ihren Eigenschaften verbesserte und genauer charakterisierte Werkstoffe, also auf verbesserte Informationen zurückzuführen.