Materialwissenschaften und Werkstofftechnik

Eine Einführung

William D. Callister, David G. Rethwisch, Michael Scheffler, Franziska Scheffler, Manja Krüger, Hans-Jörg Möhring

• Publisher: Wiley-VCH
• Year: 2020
• ISBN:
  9783527833221
• Edition: 1
• Topic: Technik & Maschinenbau
• Subtopic: Werkstoffwissenschaft

Der 'Callister' bietet den gesamten Stoff der Materialwissenschaften und Werkstofftechnik für Studium und Prüfungsvorbereitung. Hervorragend aufbereitet und in klarer, prägnanter Sprache wird das gesamte Fachgebiet anschaulich dargestellt. Das erprobte didaktische
Konzept zielt ab auf 'Verständnis vor Formalismus' und unterstützt den Lernprozess der Studierenden: * ausformulierte Lernziele
* regelmäßig eingestreute Verständnisfragen zum gerade vermittelten Stoff
* Kapitelzusammenfassungen mit Lernstoff, Gleichungen, Schlüsselwörtern und Querverweisen auf andere Kapitel
* durchgerechnete Beispiele, Fragen und Antworten sowie Aufgaben und Lösungen
* Exkurse in die industrielle Anwendung
* an den deutschen Sprachraum angepasste Einheiten und Werkstoffbezeichnungen
* durchgehend vierfarbig illustriert
* Verweise auf elektronisches Zusatzmaterial Der 'Callister' ist ein Muss für angehende Materialwissenschaftler und Werkstofftechniker an Universitäten und Fachhochschulen - und ideal geeignet für Studierende aus Physik, Chemie, Maschinenbau und Bauingenieurwesen, die sich mit den Grundlagen des Fachs vertraut machen möchten.

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Einführung

Getränkebehälter können aus Werkstoffen unterschiedlicher Klassen hergestellt werden. Üblich sind Aluminiumdosen (Metall, oben), Glasflaschen (Glas, Mitte) und Plastikflaschen (Polymer, unten). [Mit freundlicher Genehmigung der Coca-Cola Company; © klikk, Fotolia.com.]

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Lernziele

Nach dem Studium dieses Kapitels sollten Sie in der Lage sein,

1. sechs verschiedene Eigenschaften von Werkstoffen zu nennen, die über ihre Einsatzmöglichkeit entscheiden;
2. die vier Komponenten zu nennen, die für Entwicklung, Produktion und Anwendung eines Werkstoffs eine Rolle spielen, und die Zusammenhänge zwischen diesen Komponenten zu beschreiben;
3. drei wichtige Kriterien für die Werkstoffauswahl zu nennen;
4. die drei Grundklassen von festen Stoffen anzugeben und die jeweils wichtigen chemischen Besonderheiten aufzuzählen
5. die vier Typen technischer Keramiken mit je einer spezifischen Eigenschaft zu nennen;
6. den Begriff „smarte/intelligente Werkstoffe/Systeme” zu definieren;
7. den Begriff „Nanotechnologie” im Kontext der Materialwissenschaft zu erläutern.

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1.1 Historische Aspekte

Werkstoffe sind in unserer Kultur tief verankert. Transport, Unterkunft, Kleidung, Kommunikation, Erholung, Lebensmittelproduktion – jeder Bereich unseres täglichen Lebens wird auf die eine oder andere Art von Werkstoffen beeinflusst. Historisch gesehen war und ist die Entwicklung und Veränderung von Gesellschaften immer eng an die Fähigkeit ihrer Mitglieder gebunden, Werkstoffe herzustellen und zu verändern, um ihre Bedürfnisse zu befriedigen. Frühere Zivilisationen wurden deshalb sogar nach den vorherrschenden Werkstoffen benannt: Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit¹⁾.

Die Frühmenschen hatten nur Zugang zu einer begrenzten Anzahl natürlich vorkommender Werkstoffe wie Stein, Holz, Ton und Leder. Mit der Zeit entwickelten sie Verfahren zur Gewinnung von Werkstoffen, die bessere Eigenschaften besaßen als die natürlich verfügbaren Materialien. Dazu gehörten Keramiken, später verschiedene Metalle. Außerdem entdeckten sie, dass die Eigenschaften von Werkstoffen durch thermische Behandlung oder durch Zusatz weiterer Substanzen verändert werden können. Zu dieser Zeit war die Nutzung von Werkstoffen ein reiner Selektionsprozess: Man entschied, welches der wenigen zur Verfügung stehenden Materialien sich am besten für die beabsichtigte Anwendung eignete. Erst in jüngerer Zeit gelangten die Wissenschaftler zu der Erkenntnis, dass die Strukturelemente von Werkstoffen im Zusammenhang mit ihren Eigenschaften stehen. Dieses in den vergangen etwa 100 Jahren angesammelte Wissen versetzte sie in die Lage, Eigenschaften immer gezielter zu verändern. Tausende von unterschiedlichen Werkstoffen wurden so entwickelt, die mit speziellen Eigenschaften die Anforderungen unserer modernen und komplexen Gesellschaft erfüllen. Dazu gehören die Werkstoffklassen Metalle, Kunststoffe, Gläser, Keramiken sowie Verbundwerkstoffe aus zwei oder mehr der vorgenannten Klassen, aber auch Strukturen wie Fasern, Schäume, Schichten usw.

Die Entwicklung vieler Technologien, die unser Leben komfortabler machen, ist eng an die Verfügbarkeit entsprechender Werkstoffe gebunden. Ein genaueres Verständnis von Struktur und Eigenschaften eines Werkstoffs ist oft der erste Schritt zur Verbesserung der Herstellungsverfahren. Kraftfahrzeuge z. B. wären nicht denkbar ohne die Verfügbarkeit von preiswertem Stahl; elektronische Geräte wie Computer und Mobiltelefone sind dem privaten Nutzer nur im gegenwärtigen Ausmaß zugänglich, weil Halbleiterwerkstoffe und -bauelemente preiswert hergestellt werden können.

1.2 Materialwissenschaft und Werkstofftechnik

Mitunter ist es sinnvoll, den Bereich der Wissenschaft, der sich mit Werkstoffen beschäftigt, in Materialwissenschaft und Werkstofftechnik zu unterteilen. Dabei gehört zur Werkstoffwissenschaft die Untersuchung der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, während sich die Werkstofftechnik damit beschäftigt, unter Ausnutzung dieser Beziehungen Werkstoffe mit gewünschten Eigenschaften zu entwickeln und zu verarbeiten. Aus funktioneller Sicht hat der Materialwissenschaftler die Aufgabe, neue Werkstoffe zu entwickeln oder zu synthetisieren. Der Werkstofftechnologe hingegen entwickelt Produkte oder Systeme aus existierenden Werkstoffen und/oder neue Technologien zur Verarbeitung von bekannten Werkstoffen. Viele Absolventen materialwissenschaftlicher und werkstofftechnischer Studiengänge sind in beiderlei Hinsicht ausgebildet und auch in der Forschung lassen sich beide Aspekte selten voneinander trennen.

Der Terminus Struktur bedarf zunächst einer genaueren Klärung. Die Struktur eines Werkstoffs hängt, grob formuliert, mit der Anordnung seiner Bestandteile zusammen. Die subatomare Struktur umfasst die Elektronen der einzelnen Atome in ihrer Wechselwirkung untereinander und mit ihren Atomkernen. Auf atomarer Ebene ist die Struktur von der gegenseitigen Anordnung der Atome und Moleküle bestimmt. Die Erfassung dieser Strukturebene erfolgt hauptsächlich indirekt, z. B. mithilfe von Röntgendiffraktometrie oder diversen spektroskopischen Methoden.

Die nächsthöhere Strukturebene, jene der agglomerierten Gruppen von Atomen oder Molekülen, ist die mikroskopische Ebene. Sie lässt sich mit den verschiedenen mikroskopischen Verfahren untersuchen und abbilden. Strukturelemente schließlich, die dem bloßen Auge zugänglich sind, werden als makroskopische Ebene bezeichnet.

Was unter einer Eigenschaft zu verstehen ist, muss ebenfalls genauer erklärt werden. Werkstoffe sind äußeren Beanspruchungen oder Einflüssen ausgesetzt, die sie zu einer bestimmten Reaktion veranlassen: Eine Probe, die einer Kraft ausgesetzt wird, verformt sich; eine polierte Metalloberfläche reflektiert Licht. Eine Werkstoffeigenschaft ist also die Art und Weise, in der ein Material auf einen äußeren Einfluss antwortet, sowie das Ausmaß dieser Antwort. Eigenschaften werden allgemein unabhängig von der Größe und Form einer Werkstoffprobe definiert.

Nahezu alle wichtigen Eigenschaften von Feststoffen lassen sich in eine von sechs Kategorien einordnen: mechanische, elektrische, thermische, magnetische, optische und chemische Eigenschaften. Für jede Kategorie sind bestimmte Arten der Anregung, die eine Reaktion auslösen, spezifisch. Mechanische Eigenschaften verbinden eine Deformation mit dem Wirken einer Kraft. Beispiele sind der Elastizitätsmodul, die Bruch- und die Biegefestigkeit. Elektrische Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante benötigen ein elektrisches Feld. Das thermische Verhalten von Festkörpern kann durch Wärmekapazität und thermische Leitfähigkeit charakterisiert werden. Magnetische Eigenschaften beschreiben, wie sich ein Werkstoff im Magnetfeld verhält. Für optische Eigenschaften wie Brechungsindex oder Reflexionsvermögen ist die Anregung durch elektromagnetische Strahlung, z. B. sichtbares Licht, ausschlaggebend. Die chemischen Eigenschaften schließlich stehen in Bezug zur Reaktivität der Werkstoffe; Beispiele sind Korrosion, Degradation, und Oxidation. Alle diese Werkstoffeigenschaften werden von den Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften abgegrenzt. Die in den folgenden Kapiteln behandelten Eigenschaften gehören jeweils zu einer der genannten sechs Gruppen.

Neben der Struktur und den Eigenschaften von Werkstoffen gehören zwei weitere wichtige Gebiete zur Werkstoffwissenschaft: die Ver-/Bearbeitung und die Anwendungseigenschafte...