Bernhard Ilschner

Festigkeit — Verformung — Bruch

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

Korrosion und Korrosionsschutz

„Schadigung“ eines Werkstoffs ist eine Verminderung seiner Gebrauchsfahigkeit, eine Verkurzung seiner Lebensdauer durch ausere Einflusse. Beispiele: Langanhaltende Belastung bei hoher Temperatur fuhrt zur Zeitstandschadigung und damit zum Kriechbruch. Langanhaltende Wechselbelastung fuhrt auch bei Raumtemperatur zum Ermudungsbruch. UV- und Rontgenlicht schadigen hochpolymere Kunststoffe; Teilchen- und γ-Strahlung, wie sie in kerntechnischen Anlagen auftreten, fuhren auch bei Metallen zu Schadigung (Strahlungsversprodung, Schwellen).

Das Mikrogefüge und seine Merkmale

Werkstoffe sind in der Regel uneinheitlich aufgebaut, wenn man mikroskopische Masstabe anlegt. Mit licht- und elektronenoptischen Geraten kann man das reale Gefuge und seine Bestandteile nicht nur sichtbar machen, sondern auch quantitativ vermessen und analysieren.

Atomare Bindung und Struktur der Materie

Mikroskopische Untersuchungsverfahren erschliesen uns den Gefugebau der Werkstoffe, und zwar in dem Sinn, dass Heterogenitaten – typisch in Grosenordnungen von 1 bis 100 mm – sichtbar gemacht und nach Aussehen, Form und chemischer Zusammensetzung quantitativ bestimmt werden konnen (Kap. 3). Uber den atomaren Aufbau der Stoffe – im Bereich von 0,1 bis 1 nm – machen diese Verfahren jedoch keine Aussage. Auch unser Schulwissen sagt meist nur, dass Materie aus Atomen besteht, kaum aber, wie diese angeordnet sind.

Vorgänge an Grenzflächen

In diesem Kapitel steht die Grenzflachenenergie im Vordergrund. Wir wollen Zustandsanderungen betrachten, die durch das Bestreben des Systems ausgelost werden, die in Grenzflache investierte Energie zu minimieren. Im vorausgehenden Kap. 7 wurden ebenfalls Zustandsanderungen untersucht, aber die Triebkraft ruhrte von der Anderung der Temperatur her oder einer chemischen Vernetzungsreaktion. Die Grenzflachenenergie spielte dabei zwar bereits eine wichtige Rolle, z. B. bei der Keimbildung, sie trat aber im Sinne einer Komplikation auf, nicht als ein auslosender Faktor. Wir werden die Grenzflachenenergie jetzt in einer neuen Bedeutung kennenlernen.

Ausgewählte Werkstoffsysteme mit besonderer Bedeutung für den Anwender

In den vorausgegangenen Kapiteln stand das grundlegende Verstandnis von Materialien im Vordergrund. Es ging dabei um das allgemeine und verbindende, das werkstoffklassenubergreifende. 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 zugehorige Prozesstechnik diskutieren. Die ausgewahlten Werkstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie heute von besonderer Bedeutung fur den Anwender sind oder dass sie uber ein besonders groses Entwicklungspotenzial verfugen. Die Diskussion der Einzelbeispiele soll einerseits als erste Orientierungshilfe fur die Aufgabe dienen, den geeigneten Werkstoff fur eine bestimmte technische Anforderung auszuwahlen. 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.

Zustandsänderungen und Phasenumwandlungen

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

Herstellungs- und verarbeitungstechnische Verfahren

Die Rohstoffe zur Metallherstellung sind die Erze. Sie werden uberwiegend im Tagebau (Eisenerz in Schweden, Steiermark), selten im Untertagebau (Silber und Kupfer seit dem Mittelalter), in Zukunft vielleicht auch vom Meeresboden gefordert (Tiefsee-Manganknollen). Die Technologie der Abbau- und Forderprozesse gehort in den Bereich der Bergbautechnik.

Werkstoffgruppen und Werkstoffeigenschaften

Das Gebiet der Werkstoffe lasst sich schematisch in zwei Richtungen gliedern: Werkstoffgruppen unterscheiden sich nach stofflicher Zusammensetzung und kristallinem Aufbau. Werkstoffeigenschaften sind messbare (in der Regel mit Maseinheiten versehene) Stoffdaten, welche das Verhalten der unterschiedlichen Werkstoffe gegenuber unterschiedlichen Beanspruchungen angeben. In dieser kurzen Einfuhrung werden die wichtigsten Begrifflichkeiten erlautert.

Diffusion. Atomare Platzwechsel

Als Diffusion bezeichnet man den Stofftransport in Gasen, Flussigkeiten, amorphen und kristallinen Festkorpern dann, wenn er durch Platztausch individueller Atome („Schritt fur Schritt“) erfolgt. Im Gegensatz dazu ist Konvektion ein Stofftransport durch Fliesbewegung groserer Volumenelemente, z. B. in einer geruhrten Schmelze. Die haufigste Ursache von Diffusionsvorgangen ist das Vorhandensein von ortlichen Konzentrationsunterschieden (genauer: von Konzentrationsgradienten). Im Sinne des Strebens nach grostmoglicher Entropie (Abschn. 4.4.3) ist jedes System bestrebt, innerhalb einer Phase einen Konzentrationsausgleich zu erzielen. Dieser wird auch dann angestrebt, wenn gar kein Unterschied in der chemischen Zusammensetzung vorliegt, insbesondere in einem reinen Stoff — wenn namlich die Konzentration der zwar chemisch gleichen, aber durch verschiedenes Atomgewicht unterscheidbaren Isotope veranderlich ist. Man spricht dann von Selbstdiffusion. Beispiel: Diffusion des radioaktiven Kupferisotops 63Cu in reinem Kupfer oder in einem Cu-Al-Mischkristall einheitlicher chemischer Zusammensetzung.