1.1 Historische Aspekte
Werkstoffe sind in unserer Kultur tief verankert. Transport, Unterkunft, Kleidung, Kommunikation, Erholung, Lebensmittelproduktion â jeder Bereich unseres tĂ€glichen Lebens wird auf die eine oder andere Art von Werkstoffen beeinflusst. Historisch gesehen war und ist die Entwicklung und VerĂ€nderung von Gesellschaften immer eng an die FĂ€higkeit ihrer Mitglieder gebunden, Werkstoffe herzustellen und zu verĂ€ndern, um ihre BedĂŒrfnisse zu befriedigen. FrĂŒhere Zivilisationen wurden deshalb sogar nach den vorherrschenden Werkstoffen benannt: Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit1).
Die FrĂŒhmenschen hatten nur Zugang zu einer begrenzten Anzahl natĂŒrlich vorkommender Werkstoffe wie Stein, Holz, Ton und Leder. Mit der Zeit entwickelten sie Verfahren zur Gewinnung von Werkstoffen, die bessere Eigenschaften besaĂen als die natĂŒrlich verfĂŒgbaren Materialien. Dazu gehörten Keramiken, spĂ€ter verschiedene Metalle. AuĂerdem entdeckten sie, dass die Eigenschaften von Werkstoffen durch thermische Behandlung oder durch Zusatz weiterer Substanzen verĂ€ndert werden können. Zu dieser Zeit war die Nutzung von Werkstoffen ein reiner Selektionsprozess: Man entschied, welches der wenigen zur VerfĂŒgung stehenden Materialien sich am besten fĂŒr die beabsichtigte Anwendung eignete. Erst in jĂŒngerer 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 verĂ€ndern. Tausende von unterschiedlichen Werkstoffen wurden so entwickelt, die mit speziellen Eigenschaften die Anforderungen unserer modernen und komplexen Gesellschaft erfĂŒllen. Dazu gehören die Werkstoffklassen Metalle, Kunststoffe, GlĂ€ser, Keramiken sowie Verbundwerkstoffe aus zwei oder mehr der vorgenannten Klassen, aber auch Strukturen wie Fasern, SchĂ€ume, Schichten usw.
Die Entwicklung vieler Technologien, die unser Leben komfortabler machen, ist eng an die VerfĂŒgbarkeit entsprechender Werkstoffe gebunden. Ein genaueres VerstĂ€ndnis von Struktur und Eigenschaften eines Werkstoffs ist oft der erste Schritt zur Verbesserung der Herstellungsverfahren. Kraftfahrzeuge z. B. wĂ€ren nicht denkbar ohne die VerfĂŒgbarkeit von preiswertem Stahl; elektronische GerĂ€te wie Computer und Mobiltelefone sind dem privaten Nutzer nur im gegenwĂ€rtigen AusmaĂ zugĂ€nglich, 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 beschĂ€ftigt, in Materialwissenschaft und Werkstofftechnik zu unterteilen. Dabei gehört zur Werkstoffwissenschaft die Untersuchung der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, wĂ€hrend sich die Werkstofftechnik damit beschĂ€ftigt, unter Ausnutzung dieser Beziehungen Werkstoffe mit gewĂŒnschten 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 StudiengĂ€nge sind in beiderlei Hinsicht ausgebildet und auch in der Forschung lassen sich beide Aspekte selten voneinander trennen.
Der Terminus Struktur bedarf zunĂ€chst einer genaueren KlĂ€rung. Die Struktur eines Werkstoffs hĂ€ngt, 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 MolekĂŒle bestimmt. Die Erfassung dieser Strukturebene erfolgt hauptsĂ€chlich indirekt, z. B. mithilfe von Röntgendiffraktometrie oder diversen spektroskopischen Methoden.
Die nĂ€chsthöhere Strukturebene, jene der agglomerierten Gruppen von Atomen oder MolekĂŒlen, ist die mikroskopische Ebene. Sie lĂ€sst sich mit den verschiedenen mikroskopischen Verfahren untersuchen und abbilden. Strukturelemente schlieĂlich, die dem bloĂen Auge zugĂ€nglich sind, werden als makroskopische Ebene bezeichnet.
Was unter einer Eigenschaft zu verstehen ist, muss ebenfalls genauer erklĂ€rt werden. Werkstoffe sind Ă€uĂeren Beanspruchungen oder EinflĂŒssen ausgesetzt, die sie zu einer bestimmten Reaktion veranlassen: Eine Probe, die einer Kraft ausgesetzt wird, verformt sich; eine polierte MetalloberflĂ€che reflektiert Licht. Eine Werkstoffeigenschaft ist also die Art und Weise, in der ein Material auf einen Ă€uĂeren Einfluss antwortet, sowie das AusmaĂ dieser Antwort. Eigenschaften werden allgemein unabhĂ€ngig von der GröĂe 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. FĂŒr 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 ElastizitĂ€tsmodul, die Bruch- und die Biegefestigkeit. Elektrische Eigenschaften wie elektrische LeitfĂ€higkeit und DielektrizitĂ€tskonstante benötigen ein elektrisches Feld. Das thermische Verhalten von Festkörpern kann durch WĂ€rmekapazitĂ€t und thermische LeitfĂ€higkeit charakterisiert werden. Magnetische Eigenschaften beschreiben, wie sich ein Werkstoff im Magnetfeld verhĂ€lt. FĂŒr optische Eigenschaften wie Brechungsindex oder Reflexionsvermögen ist die Anregung durch elektromagnetische Strahlung, z. B. sichtbares Licht, ausschlaggebend. Die chemischen Eigenschaften schlieĂlich stehen in Bezug zur ReaktivitĂ€t 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...