Werkstofftechnik für Wirtschaftsingenieure

Werkstoffe nehmen eine Schlüsselrolle in der Wirtschaft und Technik ein. Das Kapitel zeigt die von Werkstoffen geprägten Bereiche. Der Begriff Werkstoff wird definiert und der Umgang mit Werkstoffen beleuchtet. Wirtschaftliche Aspekte der Werkstoffe wie ihre Produktion, Verfügbarkeit, Bezeichnung und Handelsformen werden aufgezeigt. Die Wechselwirkungen von Werkstoffen mit der Umwelt und die zunehmende Bedeutung des Recyclings für die Rohstoffversorgung werden hervorgehoben. Bei der Auswahl von Werkstoffen werden neben dem Eigenschaftsprofil weitere Kriterien wie Performance Indices herangezogen. Welche Werkstoffe im technischen Bereich eingesetzt werden, wird am Beispiel eines Stirnradschneckengetriebes gezeigt. In den weiteren Kapiteln dienen die Bauteile des Getriebes als Anwendungsbeispiele für verschiedene Werkstoffe.

Werkstoffe sind Stoffe, die wir uns zunutze machen. Welche Stoffe können als Werkstoffe genutzt werden? Welche Gruppen von Werkstoffen werden unterschieden? In welcher Weise wird die Struktur von Werkstoffen betrachtet? Dies sind die Leitfragen dieses Kapitels. Die Einteilung von Werkstoffen nach verschiedenen Kriterien wird aufgezeigt. Jeder Werkstoff hat eine bestimmte chemische Zusammensetzung und eine Struktur, die oft veränderbar ist. Struktur ist der Schlüsselbegriff der Werkstofftechnik. Die Änderung der Struktur kann, bei gleich bleibender Zusammensetzung, Veränderung der Eigenschaften des Werkstoffs bewirken. Die Betrachtung der Struktur von Werkstoffen auf Ebenen verschiedener Dimensionen wird beschrieben und anschaulich dargestellt. Das Gefüge (Mikrostruktur) und die Feinstruktur (atomare Struktur) werden unterschieden. Die Betrachtung der Feinstruktur bezüglich ihres Zusammenhalts und räumlichen Ordnungszustandes wird dargestellt. Abschließend wird auf den Zusammenhang zwischen Technologie, Struktur und Eigenschaft hingewiesen.

Werkstoffeigenschaften dienen zur Bewertung von Werkstoffen auf ihre Eignung für eine technische Verwendung unter gegebenen Beanspruchungen. Jeder Werkstoff hat sein eigenes Eigenschaftsprofil, zu dem verschiedene Eigenschaften gehören. Je nach Anwendung eines Werkstoffes werden seine Eigenschaften entsprechend bewertet und qualifiziert. Verschiedene Eigenschaften werden in Gruppen beschrieben, die vor allem nach der Beanspruchung gebildet werden. Die Stellung der mechanischen Eigenschaften für den technischen Bereich wird hervorgehoben. Dabei wird auf Eigenspannungen und Kerbwirkung eingegangen. Des Weiteren wird auf eine mögliche Richtungsabhängigkeit von Eigenschaften und deren Folgen hingewiesen. Folgend wird die Kennzeichnung von Eigenschaften und gewichtsbezogene Betrachtung von Kennwerten vorgestellt. Weitere Themen des Kapitels sind zerstörende, zerstörungsfreie und materialographische Prüfverfahren für Werkstoffe. Abschließend werden Anforderungen an Prüflaboratorien kurz genannt.

Metallische Werkstoffe sind die wichtigsten Werkstoffe der Technik. Am Anfang des Kapitels werden reine Metalle und Legierungen unterschieden. Wie wird eine kristalline Struktur beschrieben? In welchen Kristallgittern kommen Metalle vor? Wodurch zeichnen sich Realkristalle aus? Dies sind die weiteren Themen des Kapitels. Folgend werden Merkmale und die Entstehung des Gefüges von Metallen vorgestellt. Die Fragen: Welche Gefügebestandteile können in Gefüge vorliegen und welche sind die Grundtypen von Zustandsdiagrammen werden beantwortet. Nach den allgemeinen Eigenschaften von Metallen werden ihre mechanischen Eigenschaften diskutiert. Die Temperaturwirkung wird u. a. bei Spannungs-Dehnungs-Kurven angesprochen. Das Kapitel erläutert die Methoden zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften wie Zug-, Kerbschlagbiege- und Wöhlerversuch. Folgend werden die Auswirkungen der Kalt- und Warmumformung von Metallen und deren Bedeutung für die Fertigungstechnik beschrieben. Einige technologische Eigenschaften von Metallen werden kurz vorgestellt. Abschließend werden die Ursachen der Korrosionsbeständigkeit und Grundprinzipien des Korrosionsschutzes dargestellt.

Stähle und Gusseisen sind seit Langem bekannt. Ihre Eigenschaften, ihre Vielfalt und ihre kostengünstige Herstellung verschaffen dieser Werkstoffgruppe eine Spitzenstellung in Technik und Wirtschaft. Am Anfang des Kapitels werden die Eigenschaften und Gewinnung des reinen Eisens sowie das Eisen-Kohlenstoff-System beschrieben. Die Grundsätze und -verfahren der Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen werden kurz vorgestellt. Wie werden Stähle hergestellt, woraus bestehen sie und wie werden sie bezeichnet – diese Fragen werden beantwortet. Breiten Raum nimmt die Besprechung von Eigenschaften und Anwendungen verschiedener Stahlgruppen wie Baustähle, Vergütungsstähle, Einsatzstähle, korrosionsbeständige Stähle, Werkzeugstähle, Mehrphasenstähle u. a. ein. Im folgenden Abschnitt werden Eisengusswerkstoffe in ähnlicher Weise wie Stähle behandelt. Abgerundet wird die Beschreibung der Stähle und Gusseisen durch Beispiele ihres Einsatzes im Stirnradschneckengetriebe. Der letzte Teil des Kapitels ist der Produktion und Kosten sowie dem Recycling von Stählen und Gusseisen gewidmet.

Aluminium ist in der vergleichsweise kurzen Zeit seiner Verwendung zum zweitwichtigsten Metall der Technik nach Stahl geworden. Am Anfang des Kapitels werden die Eigenschaften und Gewinnung des reinen Aluminiums besprochen. Danach wird auf die spezielle Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen eingegangen. Die Einteilung und Bezeichnung dieser Werkstoffe sind die weiteren Themen. Folgend werden wichtige Knet- und Gusslegierungen von Aluminium beschrieben. Abgerundet wird diese Beschreibung durch Beispiele des Einsatzes von Aluminium-Gusslegierungen im Stirnradschneckengetriebe. In einem kurzen Abschnitt werden Aluminiumschäume vorgestellt. Einsatzgebiete und weitere Anwendungsbeispiele von Aluminiumwerkstoffen werden erläutert. Der letzte Teil des Kapitels ist der Produktion und dem Recycling von Aluminiumwerkstoffen gewidmet.

Kupfer und seine Legierungen haben seit fast 6000 Jahren große technische Bedeutung. Am Anfang des Kapitels werden die Eigenschaften und Gewinnung des reinen Kupfers besprochen. In weiteren Abschnitten werden wichtige Kupferwerkstoffe wie Messing, Bronze, Aluminiumbronze u. a. beschrieben. Dabei wird das Bezeichnungssystem der erläutert. Abgerundet wird die Beschreibung durch Beispiele des Einsatzes von Bronze und Messing im Stirnradschneckengetriebe. Einsatzgebiete und weitere Anwendungen von Kupferwerkstoffen werden aufgezeigt. Der letzte Teil des Kapitels ist der Produktion und Kosten sowie dem Recycling von Kupferwerkstoffen gewidmet.

Neben Aluminium und Kupfer werden weitere Nichteisenmetalle in der Technik verwendet. Zu den wichtigsten zählen leichte Werkstoffe wie Magnesium und Titan. Der erste Teil des Kapitels ist den Magnesiumwerkstoffen gewidmet. Zunächst werden die Eigenschaften und die Gewinnung des reinen Magnesiums beschrieben. Folgend werden wichtige Typen und Eigenschaften von Magnesiumwerkstoffen vorgestellt. Dabei wird das Bezeichnungssystem erläutert. Einsatzgebiete von Magnesium und Anwendungen seiner Legierungen werden aufgezeigt. Zum Abschluss werden die Produktion und Kosten sowie das Recycling von Magnesiumwerkstoffen kurz angesprochen. Der zweite Teil des Kapitels ist den Titanwerkstoffen gewidmet. Nach den Informationen zu den Eigenschaften und der Gewinnung des reinen Titans werden seine Legierungen beschrieben. Folgend werden Anwendungsbeispiele von Titanwerkstoffen aufgezeigt. In einem Abschnitt wird der Einsatz von Titan als Implantatwerkstoff diskutiert. Abschließend werden Produktion und Kosten von Titanwerkstoffen besprochen.

Kunststoffe haben in der vergleichsweise kurzen Zeit ihrer Verwendung die Welt verändert. Bei vielen Anwendungen substituieren sie die klassischen Werkstoffe. Ein wesentlicher Erfolgsfaktor der Kunststoffe liegt darin, dass ihre Eigenschaftsprofile über ihre Zusammensetzung und Struktur einstellbar sind. Am Anfang dieses Kapitels werden die Herstellung und die strukturellen Merkmale von Polymeren besprochen. Anschließend werden die wichtigsten Zusatzstoffe vorgestellt, Informationen zu Bezeichnung und Handelsformen werden gegeben. Folgend werden die allgemeinen Eigenschaften der Kunststoffe diskutiert. Breiten Raum nehmen hierbei die Beschreibung der mechanischen Eigenschaften und ihre Ermittlung ein. Auch thermische Eigenschaften und die spezifischen Zustände der Kunststoffe bei Wärmewirkung werden erläutert, gefolgt von der Brennbarkeit und der chemischen Beständigkeit. Auf die Beeinflussung und Bestimmung der Wärmebeständigkeit von Kunststoffen wird eingegangen. Abgeschlossen wird dieses Kapitel mit einem Vergleich von Kunststoffen und Metallen.

Thermoplaste bilden die Mehrheit der Kunststoffe. Der Name Thermoplaste lässt sich von der charakteristischen Reaktion dieser Polymerwerkstoffe auf Wärme ableiten. Zu Beginn dieses Kapitels wird das Verhalten amorpher und teilkristalliner Thermoplaste bei Wärmeeinwirkung diskutiert. In weiteren Abschnitten wird die Einteilung der Thermoplaste in Massenkunststoffe, technische Kunststoffe, Hochleistungskunststoffe und Polymerblends vorgestellt. Für ausgewählte Thermoplaste werden ihre Eigenschaften und Anwendungsbeispiele aufgezeigt. Abgerundet wird die Beschreibung durch ein Einsatzbeispiel von Polyamid im Stirnradschneckengetriebe. Ein Abschnitt wird den Biokunststoffen gewidmet. Folgend werden Einsatzgebiete, Produktion und Kosten von Thermoplasten erläutert. Das Recycling von Kunststoffen wird hervorgehoben und am Beispiel von Einweggetränkeflaschen veranschaulicht.

Duroplaste und Elastomere bilden heute selbständige Werkstoffgruppen und gehören wie die Thermoplaste zu den Polymerwerkstoffen. Ihre Herstellung und Verwendung unterscheidet sich jedoch. Die beiden Werkstoffgruppen gehören jedoch wie Thermoplaste zu Polymerwerkstoffen. Im ersten Teil des Kapitels werden die Duroplaste behandelt. Ihre Herstellung und ihre Besonderheiten werden besprochen. Anschließend werden ausgewählte Duroplaste mit ihren Eigenschaften und typischen Anwendungen vorgestellt. Im zweiten Teil des Kapitels werden die Elastomere behandelt. Ihr Verhalten bei Kraft- und Wärmewirkung wird erläutert. Anschließend werden ausgewählte Elastomere mit ihren Eigenschaften und typischen Anwendungen vorgestellt. Abgerundet wird die Beschreibung der Elastomere durch ein Einsatzbeispiel von Acrylnitril-Butadien-Kautschuk im Stirnradschneckengetriebe. Das Kapitel wird mit Informationen zur Produktion und Kosten sowie zum Recycling der beiden Werkstoffgruppen abgeschlossen.

Keramische Werkstoffe sind die ältesten Werkstoffe der Menschheit. Heute können durch ihren Einsatz maßgeschneiderte Produkte hergestellt werden, die neue Wege eröffnen. Am Anfang des Kapitels wird die Einteilung keramischer Werkstoffe nach verschiedenen Kriterien vorgestellt. Folgend wird die sintertechnische Herstellung von Keramiken beschrieben. Dabei wird auf die Möglichkeiten der Sintertechnik eingegangen. Im nächsten Abschnitt werden die Struktur und die Eigenschaften von Keramik besprochen und mit einem Vergleich von Keramik mit Metallen ergänzt. In den weiteren Teilen des Kapitels werden wichtige Arten keramischer Werkstoffe in Silicat-, Oxid- und Nichtoxidkeramik eingeteilt und vorgestellt. Dabei wird jeweils auf ihre Eigenschaften und Anwendungen eingegangen. Abgerundet wird die Beschreibung durch ein Einsatzbeispiel von Graphit im Stirnradschneckengetriebe. Am Ende des Kapitels werden Produktion und Kosten sowie Recycling keramischer Werkstoffe angesprochen.

Verbundwerkstoffe sind gezielte Kombinationen zweier oder mehrerer Einzelstoffe. Der Verbund hat Eigenschaften, die keiner der Einzelstoffe für sich allein besitzt. Die Bedeutung dieser Werkstoffe nimmt unaufhaltsam zu. Im ersten Teil des Kapitels werden die Aufgaben der Einzelstoffe und die Einteilung von Verbundwerkstoffen besprochen. Im weiteren Abschnitt werden Hartmetalle als Teilchenverbundwerkstoffe vorgestellt. Der Abschnitt wird mit Informationen zur Produktion und zum Recycling von Hartmetallen ergänzt. Der zweite Teil des Kapitels ist den Faserverbundwerkstoffen gewidmet. Zuerst werden wichtige Faserwerkstoffe beschrieben. Folgend wird auf die Beeinflussung der Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen eingegangen. Danach werden die mechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffe erläutert. Nach kurzer Information zu ihrer Herstellung werden glasfaser- und kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe vorgestellt. Ergänzt wird der zweite Teil mit Informationen zur Produktion und zum Recycling von Faserverbundwerkstoffen. Das Kapitel wird mit Abschnitten zu faserverstärkter Keramik und Metall Matrix Composite abgeschlossen.

Die bekanntesten Werkstoffe mit besonderen Eigenschaften sind Halbleiter, Formgedächtnislegierungen und piezoelektrische Werkstoffe. Diese Werkstoffe werden zu den sogenannten Smart Materials gezählt. Im ersten Abschnitt wird Silizium als der wichtigste Halbleiterwerkstoff vorgestellt. Der folgende Abschnitt ist den Formgedächtnislegierungen gewidmet. Nach der Beschreibung des Formgedächtniseffektes werden wichtige Arten dieser Werkstoffe und ihre Anwendungen beschrieben. Im letzten Abschnitt dieses Kapitels werden piezoelektrische Werkstoffe behandelt. Zuerst wird auf die Voraussetzungen für Piezoelektrizität eingegangen. Anschließend werden Piezokeramiken als die wichtigsten Werkstoffe der Gruppe vorgestellt und ihre Anwendungen genannt. Da Werkstoffe mit besonderen Eigenschaften vorwiegend für spezielle Zwecke und in geringen Mengen genutzt werden, wird auf ihre wirtschaftliche Betrachtung verzichtet.