Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik

In den letzten Jahrzehnten wurden in zunehmendem Maße Überlegungen darüber angestellt, welche Folgen für die menschliche Gesellschaft aus der Begrenztheit der Weltvorräte an Rohstoffen und Energieträgern entstehen und wie die Herstellung, Verarbeitung und Anwendung der Werkstoffe die natürliche und soziale Umwelt des Menschen beeinflusst. Das Aufstellen von Stoff- und Energiebilanzen und das Verfolgen von Stoffflüssen ermöglicht hier wichtige Aussagen. Die Produktion und Weiterverarbeitung von Werkstoffen verursacht 30 % des Energieverbrauchs einer Volkswirtschaft, d.h. die Frage nach der Rohstoffbasis der Materialien ist mit der Frage nach der Verfügbarkeit von Energieträgern unlösbar verknüpft. Mit dem hohen Energiebedarf und anderen Faktoren in der Erzeugung von Werkstoffen ist eine entsprechend hohe Umweltbelastung verbunden.

Das Gebiet der Werkstoffe lässt sich schematisch in zwei Richtungen gliedern:In dieser kurzen Einführung werden die wichtigsten Begrifflichkeiten erläutert.

Makroskopisch (mit bloßem Auge) sehen die meisten Werkstoffoberflächen einheitlich aus. Dieser Eindruck verleitet zu der trügerischen Annahme, der betreffende Werkstoff sei insgesamt einheitlich (homogen) zusammengesetzt. In Wirklichkeit sind die meisten Stoffe aus mikroskopisch feinen Gefügebestandteilen aufgebaut. Den Begriff „mikroskopisch“ müssen wir präzisieren: Gemeint sind Strukturelemente, die man mit Licht- oder Elektronenmikroskopen erkennen kann, d.h. die im Maßstab \(1\,\mathrm{n}\mathrm{m}\leq\mathrm{L}\leq 10\,\upmu\mathrm{m}\) liegen. Die Leistungsfähigkeit der Mikroskope ist in den letzten Jahren immer weiter gesteigert worden, so dass heute auch der atomare Aufbau, charakterisiert durch Atomabstände der Größenordnung \(0{,}1\,\mathrm{n}\mathrm{m}\), sichtbar gemacht werden kann.

Dieses Einführungskapitel liefert Beispiele für Untersuchungsverfahren und Ergebnisse.

Ein vor uns liegender Werkstoff stellt sich in einem bestimmten Zustand dar. Wir kennen die „klassischen“ Aggregatzustände (fest – flüssig – gasförmig) elementarer Stoffe. Der feste Zustand kann kristallin oder amorph sein, feinkörnig oder grobkörnig, einphasig oder mehrphasig, kaltverfestigt oder rekristallisiert. Derselbe Werkstoff kann sich – je nach Temperatur – im paramagnetischen oder im ferromagnetischen, im supraleitenden oder im normalleitenden Zustand befinden. In Legierungen und anderen Mehrstoffsystemen tritt neben die Temperatur (und den Druck) ein weiterer Zustandsparameter: die Zusammensetzung. Je nach Temperatur und Zusammensetzung kann ein solches Mehrstoffsystem unterschiedliche Phasen in unterschiedlichen Zusammensetzungen und Mengenanteilen enthalten, also in verschiedenen Zuständen vorliegen. Das vorliegende Kapitel führt die thermodynamischen Größen ein, welche die Zustände charakterisieren und welche die Richtung der Veränderung angeben: Freie Enthalpie, Enthalpie, Entropie. Außerdem werden die wesentlichen Darstellungsformen wie Zustandsdiagramm oder Ellingham-Richardson-Diagramm erläutert, genauso wie die wichtigsten Messverfahren.

Unser Schulwissen sagt meist nur, dass Materie aus Atomen besteht, kaum aber, wie diese angeordnet sind. In diesem Kapitel lernen wir Atomanordnungen in metallischen und keramischen Kristallen und Schmelzen kennen, außerdem in einigen wichtigen polymeren Werkstoffen. Wir besprechen auch die Grundregeln, welche zum jeweiligen Stoffaufbau führen.

Als Diffusion bezeichnet man den Stofftransport in Gasen, Flüssigkeiten, amorphen und kristallinen Festkörpern dann, wenn er durch Platztausch individueller Atome („Schritt für Schritt“) erfolgt. Im Gegensatz dazu ist Konvektion ein Stofftransport durch Fließbewegung größerer Volumenelemente, z.B. in einer gerührten Schmelze.

Die häufigste Ursache von Diffusionsvorgängen ist das Vorhandensein von örtlichen Konzentrations-Gradienten. Im Sinne des Strebens nach größtmöglicher Entropie ist jedes System bestrebt, innerhalb einer Phase einen Konzentrationsausgleich zu erzielen.

Diffusion ist der Elementarprozess, der Phasenumwandlungen, insbesondere Ausscheidungen oder Reaktionen mit Gasphasen, möglich macht. Ohne Diffusion gäbe es also z.B. keine Härtung von Stahl oder von Aluminiumlegierungen. Darin liegt ihre außerordentliche technische Bedeutung.

In diesem Kapitel behandeln wir die mathematische Beschreibung der Diffusionsvorgänge und vergleichen die Triebkräfte der Diffusion mit anderen Transportphänomenen wie Ionen- und Wärmeleitung.

Im Zentrum von Kap. 4 stand der Begriff „Gleichgewicht“. Zu jedem Satz von Zustandsparametern (Temperatur, Druck, Zusammensetzung) findet ein System einen Zustand, der durch größtmögliche Stabilität gekennzeichnet ist (in Formelsprache: durch ein Minimum des thermodynamischen Potenzials G).

Ändert man die Zustandsparameter, so gilt für dasselbe System ein anderer Gleichgewichtszustand. Bei geringfügigen Änderungen der Zustandsparameter ist es wahrscheinlich, dass es im gleichen Zustandsfeld bleibt – es ändern sich zwar Eigenschaften und Mengenverhältnisse vorhandener Phasen, aber es treten keine neuen auf. Bei größeren Änderungen werden jedoch Grenzlinien der Zustandsdiagramme überschritten, so dass ganz neue Phasen gebildet werden müssen. Dies erfordert den Prozess der Keimbildung mit anschließendem Wachstum.

In diesem zentralen Kapitel behandeln wir Vorgänge wir Erstarrung (Dendritenbildung, Entstehung unterschiedlicher Kornstrukturen), Ausscheidung (übersättigte Aluminiumlegierungen, eutektoider Zerfall in Stählen), diffusionslose Umwandlung (Martensit in Stählen).

In diesem Kapitel steht die Grenzflächenenergie im Vordergrund. Wir betrachten Zustandsänderungen, die durch das Bestreben des Systems ausgelöst werden, die in Grenzfläche investierte Energie zu minimieren. Im vorausgehenden Kapitel 7 wurden ebenfalls Zustandsänderungen untersucht, aber die Triebkraft rührte von der Änderung der Temperatur her oder einer chemischen Vernetzungsreaktion. Die Grenzflächenenergie spielte dabei zwar bereits eine wichtige Rolle, z.B. bei der Keimbildung, sie trat aber im Sinne einer Komplikation auf, nicht als ein auslösender Faktor.

Wir besprechen in diesem Kapitel Prozesse wie Kapillarität im Lötspalt, Festphasensintern, Flüssigphasensintern, Kornwachstum, Ostwald-Reifung.

Als Korrosion definiert man die Werkstoffschädigung von der Oberfläche her durch chemischen Angriff, also durch chemische Reaktion mit Flüssigkeiten. Beispiele für Korrosion im Alltagsleben sind das beschleunigte Rosten von Autokarosserien bei Verwendung von Streusalz im Winter und das verstärkte Rosten von Schiffen und Hafenanlagen in Meerwasser.

Korrosionsprobleme anderer Art treten auf, wenn bei erhöhten Temperaturen Bauteile mit Gasen reagieren (Heißgaskorrosion). Beispiele: Feuerungsanlagen, Gasturbinen, Strahltriebwerke, Heizspiralen der Elektrowärmetechnik. Der wichtigste Fall von Heißgaskorrosion ist die Oxidation von Metallen an Luft, auch als Verzunderung bezeichnet.

Wir diskutieren die grundlegenden Mechanismen der Säure- und Sauerstoffkorrosion, die Rolle von Lokalelementen und Passivierung, genauso wie Gegenmaßnahmen. Bei der Verzunderung wird gezeigt, wie der Grundvorgang des Ionentransports in Deckschichten Parallelen in Batterien und Brennstoffzellen findet.

In diesem Abschnitt wird das Werkstoffverhalten unter mechanischer Beanspruchung behandelt. Der Werkstoff liegt als Probe vor oder als Bauteil, also mit vorgegebener Form. Wie verhält er sich beim Aufbringen einer Belastung?

Ein Werkstoff reagiert auf Belastung (d.h. Einwirkung mechanischer Kräfte) zunächst durch Verformung (Formänderung), bei zunehmender Belastung durch Bruch. Als Festigkeit definiert man den Widerstand, den ein Werkstoff aufgrund seiner atomaren Struktur und seines Gefüges der Formänderung bzw. dem Bruch entgegensetzt.

In diesem zentralen Kapitel des Buches besprechen wir die wichtigsten Grundphänomene, welche die mechanischen Eigenschaften bestimmen, also Versetzungsbewegung in Gleitsystemen, Wechselwirkung von Versetzungen mit Hindernissen, thermische Aktivierung der Versetzungsbewegung. Wir diskutieren, wie elastische und plastische Verformungseigenschaften optimiert werden können, beispielsweise über Veränderung der Mikrostruktur oder über Faserverstärkung. Von großer Bedeutung für die mechanischen Eigenschaften von Sicherheitsbauteilen ist das Ausbreitungsverhalten langer Risse im Sinne der Bruchmechanik. Für keramische Bauteile müssen statistische Methoden herangezogen werden.

Die elektrischen Eigenschaften von Werkstoffen beschreiben das Verhalten dieser Festkörper in statischen oder wechselnden elektrischen Feldern bzw. zwischen den Polen einer Spannungsquelle.

In diesem Kapitel besprechen wir den Stromtransport in metallischen Leitern, genauso wie das Verhalten von technischen Isolierstoffen, Halbleitern und Ionenleitern.

Elektrische Felder erstrecken sich zwischen elektrischen Ladungen, z. B. solchen, welche die gegenüberliegenden Platten eines Plattenkondensators belegen. Magnetische Felder erstrecken sich zwischen magnetischen Polen. Elektrische Felder können nicht nur durch ruhende Ladungen, sondern auch „dynamisch“ erzeugt werden: Durch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, z. B. durch rotierende Magnetpole. Analog können magnetische Felder dynamisch erzeugt werden, in diesem Fall durch bewegte Ladungen, insbesondere durch Ringströme.

Im Zentrum des Kapitels stehen Ferro- und Ferrimagnetismus, sowie Dia- und Paramagnetismus. Die verschiedenen technischen Magnetwerkstoffe werden vorgestellt und die mikrostrukturellen Ursachen für unterschiedliche Magnetisierungskurven erläutert.

In diesem Kapitel, dem längsten des ganzen Buches, geht es einerseits um die Erzeugung der Werkstoffe. Die Stahlherstellung im Hochofen wird besprochen, genauso wie die Schmelzflusselektrolyse von Aluminium oder die Herstellung keramischer Werkstoffe.

In einem zweiten Teil steht die Herstellung von Werkstücken aus den Werkstoffen im Vordergrund. Wir folgen dabei der in der Fertigungstechnik üblichen Einteilung in Verfahrensgruppen, also Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaft ändern.

Die Fertigungstechnik wird hier unter dem Blickpunkt der Werkstoffwissenschaften behandelt. Dies bedeutet, es stehen Materialaspekte im Vordergrund, also Gießbarkeit, Umformbarkeit, Eignung für Pulvermetallurgie, etc. Die unterschiedlichen Gefüge, die Folge der Verarbeitungsfahren sind, werden ausführlich diskutiert. Von besonderem Interesse ist der materialübergreifende Aspekt, also beispielsweise die Unterschiede in der Kunststoff- und Metallverarbeitung.

Besprochen werden zerstörungsfreie Verfahren, die am Bauteil während und nach der Fertigung, bzw. der Montage oder während einer Inspektion (Wartung) durchgeführt werden können. Oft geht es um die Feststellung, ob das Bauteil im Sinne eines geeigneten Kriteriums als „sicher“ bezeichnet werden kann oder nicht; oder es geht um die Feststellung der Art, der Größe und der Lage fehlerhafter Stellen im Bauteil, um die verbliebene Restlebensdauer zu bestimmen.

Zu den vorgestellten Methoden gehören Flüssigkeitseindringverfahren, Magnetpulververfahren, Wirbelstromverfahren, Röntgen- und Ultraschallprüfung.

In den vorausgegangenen Kapiteln stand das grundlegende Verständnis von Materialien im Vordergrund. Es ging dabei um das allgemeine und verbindende, das werkstoffklassenübergreifende. Im vorliegenden Kapitel wollen wir einige konkrete Werkstoffsorten und Legierungen herausgreifen und an Beispielen die jeweilige Mikrostruktur, das sich daraus ergebende Eigenschafts- und Anwendungspotenzial und die zugehörige Prozesstechnik diskutieren. Die ausgewählten Werkstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie heute von besonderer Bedeutung für den Anwender sind oder dass sie über ein besonders großes Entwicklungspotenzial verfügen. Die Diskussion der Einzelbeispiele soll einerseits als erste Orientierungshilfe für die Aufgabe dienen, den geeigneten Werkstoff für eine bestimmte technische Anforderung auszuwählen. Andrerseits soll dieses Kapitel die Verbindung zwischen den Grundlagen und der Anwendung herstellen. Es soll gezeigt werden, wie Grundlagenwissen bei der Anwendung und der Weiterentwicklung von Werkstoffen genutzt werden kann.

Unterabschnitte sind Stähle, Gusseisen, Legierungen von Aluminium, Titan, Kupfer, Nickel und Magnesium. Außerdem werden keramische Werkstoffe und Kunststoffe behandelt.