Schatt Werkstoffwissenschaft E-Book
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- Herausgeber: Wiley-VCH
- Kategorie: Fachliteratur
- Sprache: Deutsch
Der Klassiker der Werkstoffwissenschaft in elfter Auflage – unverzichtbar für Studierende der Werkstoffwissenschaft/Materialwissenschaft und des Maschinenbaues
Die moderne Werkstoffwissenschaft befasst sich mit der Darstellung und Erklärung der Eigenschaften von Werkstoffen wie Metallen, Keramiken und Polymeren auf Grundlage einer einheitlichen, naturwissenschaftlich geleiteten Betrachtungsweise. Damit geht dieses Wissensgebiet über die klassische Werkstoffkunde hinaus, die auf vorwiegend empirisch ermittelten Fakten ohne engen Verständniszusammenhang basiert. Die stark interdisziplinär geprägte Werkstoffwissenschaft bedient sich dabei der Erkenntnisse und Methoden der Festkörperphysik und -chemie, der Kristallographie und des Ingenieurwesens und ist als Kernfach in material- und ingenieurwissenschaftlichen Studiengängen an Universitäten und Hochschulen verankert.
Ausgehend von den idealen und realen Strukturen von Metallen, Keramiken und Polymeren liefert dieses Standardlehrbuch eine Einführung in die grundlegenden Herstelltechniken von Werkstoffen, Phasenbildung und -umwandlung und die für praktische Anwendungen so wichtigen Zustandsdiagramme sowie die Entstehung und der Untersuchung des Gefüges von Werkstoffen mit qualitativen und quantitativen Charakterisierungsmethoden. Die folgenden Kapitel widmen sich der Beschreibung und Erklärung von thermisch aktivierten Vorgängen wie Diffusion, der Korrosion, den mechanischen Eigenschaften wie Plastizität und Bruch sowie den physikalischen Eigenschaften wie elektrische und thermische Leitfähigkeit, Supraleitung und der Wechselwirkung von Strahlung und Festkörpern.
Die 11. Auflage ergänzt die mechanischen Erscheinungen durch Ausführungen, mit deren Hilfe eine konsistente Einordnung der werkstoffwissenschaftlichen Betrachtungen in den Kontext der Technischen Mechanik möglich wird, und behandelt neu ausführlich die Werkstoffe Biopolymere im Speziellen und Biomaterialien im Allgemeinen. Die Herstelltechniken wurden ergänzt durch neue Abschnitte zur modernen additiven Fertigung.
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Seitenzahl: 976
Veröffentlichungsjahr: 2025
Ähnliche
Cover
Titelblatt
Urheberrechte
1 Einleitung
2 Zustände des festen Körpers
2.1 Kristalliner Zustand
2.1.1 Raumgitter und Kristallsysteme
2.1.2 Bravais-Gitter und Kristallstruktur
2.1.3 Analytische Beschreibung des Raumgitters
2.1.4 Polkugel und stereographische Projektion
2.1.5 Bindung im Festkörper
2.1.5.1 Aufbau und Energieniveaus der Atomhülle
2.1.5.2 Ionenbindung
2.1.5.3 Kovalente Bindung (Atombindung)
2.1.5.4 Metallbindung
2.1.5.5 Nebenvalenzbindung
2.1.5.6 Mischbindung
2.1.6 Koordination
2.1.7 Elementstrukturen
2.1.7.1 Kubisch raumzentrierte Metalle (Wolfram-Strukturtyp)
2.1.7.2 Kubisch flächenzentrierte Metalle (Kupfer-Strukturtyp)
2.1.7.3 Hexagonal dichtest gepackte (hdp) Metalle (Magnesium-Strukturtyp)
2.1.7.4 Kubisch flächenzentrierter Diamant-Strukturtyp
2.1.8 Legierungsstrukturen
2.1.8.1 Austauschmischkristalle
2.1.8.2 Überstrukturen
2.1.8.3 Einlagerungsmischkristalle
2.1.8.4 Intermetallische Phasen
2.1.9 Ionenstrukturen
2.1.10 Molekülstrukturen
2.1.10.1 Atombindung in Polymeren
2.1.10.2 Zwischenmolekulare Wechselwirkungen in Polymeren
2.1.10.3 Aufbauprinzip und Infrastruktur von Makromolekülen
2.1.10.4 Kristallstruktur von Polymeren
2.1.10.5 Modifizierung von Polymeren
2.1.11 Realstruktur
2.1.11.1 Nulldimensionale Gitterstörungen
2.1.11.2 Eindimensionale Gitterstörungen
2.1.11.3 Zweidimensionale Gitterstörungen
2.1.11.4 Dreidimensionale Gitterstörungen und Defektwechselwirkungen
2.2 Zustand unterkühlter Schmelzen und Glaszustand
2.2.1 Charakteristik des Zustandes unterkühlter Schmelzen und des Glaszustandes
2.2.2 Strukturmodelle silicatischer Gläser
2.2.3 Struktur amorpher Polymere
2.2.4 Strukturmodelle amorpher Metalle
2.2.4.1 Strukturmodelle von schnellerstarrten amorphen Metallen
2.2.4.2 Strukturmodelle von metallischen Nanogläsern
Literaturhinweise
3 Übergänge in den festen Zustand
3.1 Übergang vom flüssigen in den kristallinen Zustand
3.1.1 Keimbildung und -wachstum bei Metall- und Ionenkristallen
3.1.1.1 Erstarrung von Schmelzen
3.1.1.2 Kristallisation aus Lösungsmitteln
3.1.1.3 Kristallisation von unterkühlten Glasschmelzen (Entglasung)
3.1.2 Kristallisation von Polymeren
3.1.2.1 Einfluss der Molekülstruktur auf die Kristallisation
3.1.2.2 Keimbildung und Kristallwachstum
3.1.3 Abscheidung aus kolloidalen Lösungen
3.2 Übergang in den Zustand der unterkühlten Schmelze und in den Glaszustand
3.2.1 Änderung der Viskosität bei der amorphen Erstarrung
3.2.2 Phasentrennung im Zustand der unterkühlten Schmelze
3.2.3 Amorphe Erstarrung von Metallen und Legierungen
3.3 Übergang aus dem gasförmigen in den kristallinen Zustand
Literaturhinweise
4 Phasenumwandlungen im festen Zustand
4.1 Umwandlungen mit Änderung der Struktur
4.1.1 Allotrope Umwandlungen des SiO2
4.1.2 Die γ-α-Umwandlung des Eisens
4.1.3 Martensitische Umwandlungen
4.1.4 Massivumwandlung
4.1.5 Umwandlungsbesonderheiten bei Polymeren
4.2 Umwandlungen mit Änderung der Konzentration
4.3 Umwandlungen mit Änderung der Konzentration und der Struktur
4.3.1 Ausscheidungsumwandlung
4.3.2 Eutektoider Zerfall
4.4 Ordnungsumwandlungen
4.5 Nichtkonventionelle Phasenbildung
4.5.1 Metastabile Phasenbildung in dünnen Schichten
4.5.2 Mechanisches Legieren von Pulvern
Literaturhinweise
5 Zustandsdiagramme
5.1 Thermodynamische Grundlagen
5.2 Experimentelle Methoden zur Aufstellung von Zustandsdiagrammen
5.3 Grundtypen der Zustandsdiagramme von Zweistoffsystemen
5.3.1 Zustandsdiagramm eines Systems mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im festen und flüssigen Zustand
5.3.2 Zustandsdiagramm eines Systems mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im flüssigen und vollständiger Unmischbarkeit im festen Zustand
5.3.3 Zustandsdiagramm von Systemen mit vollständiger Mischbarkeit der Komponenten im flüssigen und teilweiser Mischbarkeit im festen Zustand
5.3.4 Zustandsdiagramme von Systemen mit intermetallischen Phasen
5.3.5 Weitere Umwandlungen im festen Zustand
5.4 Einführung in Mehrstoffsysteme
5.5 Realdiagramme
5.5.1 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
5.5.2 Zustandsdiagramm des Systems Kupfer-Zinn
5.5.3 Zustandsdiagramm des Systems SiO2–α-Al2O3
5.5.4 Zustandsdiagramme von Polymermischungen
5.6 Ungleichgewichtsdiagramme
5.6.1 Ausbildung von Ungleichgewichtsgefügen
5.6.2 Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramme
5.6.3 Zeit-Temperatur-Auflösungs-Diagramme
5.6.4 ZTR-Diagramme bei Kopplung von Umwandlungs- und Umformvorgängen
Literaturhinweise
6 Gefüge der Werkstoffe
6.1 Gefüge
6.2 Oberfläche
6.3 Herstellung der Schlifffläche
6.4 Entwicklung des Gefüges
6.4.1 Ätzen in Lösungen
6.4.2 Gefügeentwicklung bei hohen Temperaturen
6.4.3 Entwicklung des Gefüges durch lonenätzen
6.5 Mikroskopische Gefügeuntersuchung
6.5.1 Lichtmikroskopische Gefügebetrachtung
6.5.2 Gefügebetrachtung mithilfe des akustischen Reflexionsrastermikroskops
6.5.3 Elektronenmikroskopische Gefügeuntersuchung
6.5.3.1 Gefügebetrachtung
6.5.3.2 Weiterführende Untersuchungsverfahren
6.6 Quantitative Gefügeanalyse
6.6.1 Punktanalyse
6.6.2 Linearanalyse
6.6.3 Flächenanalyse
6.6.4 Charakterisierung der Form und Orientierung von Gefügebestandteilen
6.7 Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen
6.7.1 Einphasige Gefüge
6.7.2 Mehrphasige Gefüge
Quellennachweis und Literaturempfehlungen
7 Thermisch aktivierte Vorgänge
7.1 Diffusion
7.1.1 Platzwechselmechanismen
7.1.2 Diffusionsgesetze
7.1.3 Bildung von Diffusionsschichten
7.1.4 Diffusionsgesteuerte Vorgänge
7.1.4.1 Diffusionskriechen
7.1.4.2 Versetzungskriechen
7.1.4.3 Sintern
7.1.5 Additive Fertigung
7.2 Kristallerholung und Rekristallisation
7.2.1 Kristallerholung
7.2.2 Rekristallisation
7.2.3 Kornwachstum
7.2.4 Rekristallisationstexturen
Literaturhinweise
8 Korrosion
8.1 Korrosion der Metalle in wässrigen Medien
8.1.1 Grundlagen der elektrochemischen Korrosion
8.1.1.1 Elektrochemische Spannungsreihe und Korrosionsvorgänge
8.1.1.2 Geschwindigkeit elektrochemischer Reaktionen
8.1.2 Gleichförmige Korrosion
8.1.3 Passivität und Inhibition
8.1.4 Korrosionselemente
8.1.5 Lochkorrosion
8.1.6 Selektive und interkristalline Korrosion
8.1.7 Spannungsrisskorrosion
8.1.8 Schwingungsrisskorrosion
8.2 Korrosion anorganisch-nichtmetallischer Werkstoffe in wässrigen Medien
8.3 Korrosion von Polymeren in flüssigen Medien
8.3.1 Begrenzte und unbegrenzte Quellung
8.3.2 Schädigung durch chemische Reaktionen
8.3.3 Spannungsrisskorrosion von Polymeren
8.4 Korrosion in Schmelzen
8.4.1 Korrosion von Metallen in durch Ablagerungen gebildeten Schmelzen
8.4.2 Korrosion feuerfester Baustoffe in Schmelzen
8.5 Korrosion der Metalle in heißen Gasen
8.5.1 Oxidation (Zundern) von Eisen
8.5.2 Oxidation von Legierungen
8.5.3 Schädigung von Stahl durch Druckwasserstoff
8.5.4 Aufkohlung und Metal Dusting
8.6 Korrosion feuerfester Werkstoffe in heißen Gasen
8.7 Korrosionsschutz
8.7.1 Passiver Korrosionsschutz
8.7.2 Aktiver Korrosionsschutz
Literaturhinweise
9 Mechanische Erscheinungen
9.1 Reversible Verformung
9.1.1 Linear-elastische Verformung
9.1.2 Energie- und entropieelastische Verformung
9.1.3 Elastische Nachwirkung
9.1.4 Pseudoelastische Verformung
9.2 Plastische Verformung
9.2.1 Geometrie der plastischen Verformung von Einkristallen
9.2.2 Mechanismus der plastischen Verformung
9.2.2.1 Theoretische Festigkeit
9.2.2.2 Entstehen und Wechselwirkung von Versetzungen
9.2.2.3 Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Fremdatomen
9.2.2.4 Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Teilchen
9.2.3 Plastische Verformung polykristalliner Werkstoffe (Vielkristallplastizität)
9.2.3.1 Spannungs-Dehnungs-Diagramm
9.2.3.2 Orientierungseinfluss
9.2.3.3 Korngrenzeneinfluss
9.2.3.4 Streckgrenzenerscheinung
9.2.3.5 Verformungsgefüge und Textur
9.2.4 Plastische Wechselverformung
9.2.5 Besondere Erscheinungen der Plastizität
9.2.5.1 Superplastizität
9.2.5.2 Umwandlungsplastizität
9.3 Viskose und viskoelastische Verformung
9.4 Kriechen
9.5 Bruch
9.5.1 Makroskopische und mikroskopische Bruchmerkmale
9.5.2 Rissbildung
9.5.3 Rissausbreitung
9.5.4 Bruchmechanik
9.5.4.1 Linearelastische Bruchmechanik
9.5.4.2 Fließbruchmechanik
9.6 Eigenspannungen
9.7 Festigkeitssteigerung und Schadenstoleranz
9.7.1 Kombinierte Mechanismen zur Festigkeitssteigerung metallischer Werkstoffe
9.7.2 Festigkeitssteigerung durch Druckeigenspannungen in der Randschicht
9.7.3 Festigkeitssteigerung durch Verstrecken und Vernetzen
9.7.4 Festigkeitssteigerung durch Faserverstärkung
9.7.5 Steigerung von Festigkeit und Bruchzähigkeit durch Energiedissipation
9.8 Härte und Verschleiß
Literaturhinweise
10 Physikalische Erscheinungen
10.1 Elektrische Leitfähigkeit
10.1.1 Elektrische Leitfähigkeit in Metallen
10.1.2 Elektrische Leitfähigkeit in Halbleitern
10.1.2.1 Eigenhalbleitung
10.1.2.2 Störstellenhalbleitung
10.1.2.3 Sperrschichthalbleitung
10.2 Supraleitung
10.2.1 Supraleitung in Metallen und intermetallischen Verbindungen
10.2.2 Supraleitende Oxidkeramiken mit hoher Sprungtemperatur
10.2.3 Supraleitung in Boriden, Carbiden und Nitriden
10.2.4 Supraleitung in Eisenverbindungen
10.3 Thermoelektrizität
10.4 Wärmeleitfähigkeit
10.5 Dielektrizität
10.6 Magnetismus
10.6.1 Erscheinungsformen des Magnetismus
10.6.2 Technische Magnetisierung
10.6.3 Weichmagnetisches Verhalten
10.6.4 Hartmagnetisches Verhalten
10.6.5 Ferrimagnetisches Verhalten
10.7 Thermische Ausdehnung
10.8 Temperaturunabhängiges elastisches Verhalten
10.9 Dämpfung
10.10 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Festkörpern
10.10.1 Wechselwirkung mit energiearmer Strahlung
10.10.2 Wechselwirkung mit energiereicher Strahlung
10.10.2.1 Elastische Streuung von ionisierenden Strahlen
10.10.2.2 Veränderungen in Festkörpern durch Strahlung
Literaturhinweise
11 Bioinspirierte Materialien
11.1 Nucleinsäuren
11.1.1 Struktur der Nucleinsäuren
11.1.2 Anwendungen in der Nanotechnik
11.2 Proteine
11.2.1 Aufbau und Infrastruktur der Proteine
11.2.1.1 Aufbau der Proteine
11.2.2 Proteine der Zellmembran (Membranproteine)
11.2.2.1 Integrine
11.3 Bioengineering mit Proteinen für medizinischen Materialien
11.3.1 Tissue Engineering
11.3.2 Kollagen als Biomaterial
11.4 Bioinspirierte metallische Legierungen mit modifizierten Oberflächen
11.5 Kohlenhydrate
11.5.1 Strukturmodelle
11.5.2 Anwendungen in der Medizintechnik
Literaturhinweise
Sachregister
End User License Agreement
Schatt Werkstoffwissenschaft
Cover
Titlebatt
1 Einleitung
Tabellenverzeichnis
Kapitel 1
Tab. 2.1 Definitionsgrößen der 7 kristallographischen Koordinaten...
Tab. 2.2 Mögliche Koordinationszahlen für kugelförmige Bau...
Tab. 2.3 Kristallstrukturen und Gitterkonstanten einiger Metalle bei Normaldruc...
Tab. 2.4 Beispiele für Mischkristallbildung.
Tab. 2.5 Beispiele für Einlagerungsstrukturen.
Tab. 2.6 Beispiele von Hartstoffen (Einlagerungsstrukturen) TS Schmelzpunkt in ...
Tab. 2.7 Wichtige Strukturtypen dicht gepackter Ionengitter aus ineinander gest...
Tab. 2.8 Bindungsgrad, -abstand, -energie und -winkel für kovalente Bind...
Tab. 2.9 Zwischenmolekulare Wechselwirkungen bei Polymeren im Vergleich zur Ato...
Tab. 2.10 Beispiele für Konformations- und Helixtyp kristalliner Polymer...
Tab. 2.11 Chemische Strukturformel und Kristallstruktur ausgewählter Pol...
Tab. 2.12 Feldstärke und Funktion einiger Kationen (rK Kationenradius in...
Tab. 3.1 Schmelztemperatur TS und Einfriertemperatur TE für ausgew...
Tab. 3.2 Übersicht über das Gebiet der Schnellabkühlung
Tab. 3.3 Epitaxien in Korrosionsschichten auf Metallen (nach [18]).
Tab. 4.1 Übersicht über ausgewählte polymorphe metallische...
Tab. 4.2 Abmessungen der triklinen Elementarzellen für die α- und...
Tab. 5.1 Bezeichnung der Umwandlungstemperaturen in Eisen-Kohlenstoff-Legierung...
Tab. 6.1 Überblick über ausgewählte Messwerte und Kenngr...
Tab. 6.2 Ausgewählte Werkstoffeigenschaften und ihre Empfindlichkeit geg...
Tab. 7.1 Mindestrekristallisationstemperaturen von technisch reinen Metallen na...
Tab. 8.1 Änderung der Enthalpie beim Übergang Metall/Metalloxid u...
Tab. 9.1 Abhängigkeit des Elastizitäts- und Schubmoduls von der k...
Tab. 9.2 Elastische Konstanten einiger Werkstoffe (mittlere Werte).
Tab. 9.3 Werte für die theoretische Trenn- und Scherfestigkeit.
Tab. 9.4 Wichtige Verformungstexturen.
Tab. 9.5 Spaltebenen in Kristallen.
Tab. 9.6 Orientierungswerte der Bruchzähigkeit.
Tab. 9.7 Eigenschaften von Fasern (Mittelwerte).
Tab. 9.8 Verschleißmechanismen und -erscheinungsformen.
Tab. 10.1 Elektronenanordnung in den Elementen
Tab. 10.2 Spezifische elektrische Leitfähigkeit einiger Werkstoffe bei R...
Tab. 10.3 Ladungsträgerkonzentration und -beweglichkeit in Kupfer, Alumi...
Tab. 10.4 Ionisierungsenergien von Dotierungselementen in Silicium und Germaniu...
Tab. 10.5 Sprungtemperaturen Tk und kritische Feldstärken Hk0 bzw. Hk2 k...
Tab. 10.6 Legierungssysteme von Hoch-Tk-Cupraten
Tab. 10.7 Supraleitende Boride, Carbide und Nitride
Tab. 10.8 Legierungssysteme von supraleitenden Eisenverbindungen
Tab. 10.9 Thermoelektrische Spannungsreihe einiger Metalle gegen Platin bzw. ge...
Tab. 10.10 Spezifische Wärmeleitfähigkeit einiger Werkstoffe bei ...
Tab. 10.11 Wellenlänge und Energie elektromagnetischer Strahlungen.
Tab. 10.12 Daten einiger Korpuskularstrahlungen
Tab. 10.14 Monomerenausbeute beim Abbau von Thermoplasten
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Schatt Werkstoffwissenschaft
Herausgegeben von Hartmut Worch, Wolfgang Pompe und Christoph Leyens
Elfte Auflage
Herausgegeben von
Professor Dr. Hartmut Worch
Technische Universität Dresden
Institut für Werkstoffwissenschaft
Helmholtzstr. 10
01069 Dresden
Deutschland
Professor Dr. Wolfgang Pompe
Technische Universität Dresden
Institut für Werkstoffwissenschaft
Helmholtzstr. 10
01069 Dresden
Deutschland
Professor Dr. Christoph Leyens
Technische Universität Dresden
Institut für Werkstoffwissenschaft
Helmholtzstr. 10
01069 Dresden
Deutschland
Professor Dr. Werner Schatt†
Titelbild
Abbildungen mit freundlicher Genehmigung von Hartmut Worch, Technische Universität Dresden, und Martin Worch, Filderstadt.
11. Auflage 2025
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Print ISBN: 978-3-527-35224-1
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Druck und Bindung:
Vorwort für die 11. Auflage
Im Jahr 1972 erschien die erste Auflage der „Einführung in die Werkstoffwissenschaft“. Die Zielstellung des damaligen alleinigen Herausgebers, Herrn Prof. Dr. Ing. habil. Dr. eh. Werner Schatt, war es, die drei verschiedenen Werkstoffgruppen (keramische, polymere und metallische) mit Hilfe von wenigen, sie charakterisierenden Eigenheiten zusammenzuführen. Dieses Ziel wurde seinerzeit von Fachkollegen als schwierig angesehen und kritisch begleitet. Dank der klaren und präzisen Ausführungen in den vorgelegten Kapiteln verstummte die Kritik bereits nach dem ersten Erscheinen sehr schnell. Der ersten Auflage folgten neun weitere mit Ergänzungen und Korrekturen, die jeweils den erreichten Erkenntnisstand widerspiegelten. Mit jeder Neuauflage vertiefte und erweiterte sich das Wissen über die Werkstoffe, sodass sich daraus die „Werkstoffwissenschaft“ formierte. Unterdessen ist es ein Standardfachbuch auf dem Gebiet der Werkstoffe geworden. Wegen des regen Zuspruches sprach sich daher der WILEY – Verlag für eine elfte Auflage aus.
Im letzten Jahrzehnt hat sich die Deutsche Gesellschaft für Metallkunde in die Deutsche Gesellschaft für Materialkunde umbenannt. Diese Umbenennung ist vor dem Hintergrund geschehen, dass die englische Sprache zur Weltsprache im technischen und wissenschaftlichen Sprachgebrauch geworden ist. Um die Umbenennung wurde hart gerungen, weil es im deutschen Sprachgebrauch einen feinen Unterschied zwischen Werkstoff und Material gibt. Werkstoffe sind Stoffe, mit deren Hilfe eine technische Anwendung erreicht wird. Der Begriff Material geht darüber hinaus. Hierunter werden alle möglichen Stoffe, auch Rohstoffe verstanden, deren Anwendung jedoch nicht oder noch nicht erlangt wurde. Sie können einmal Werkstoffe werden. Vor diesem Hintergrund haben sich die Herausgeber entschieden, bei dem Titel des Buches „Werkstoffwissenschaft“ zu bleiben.
Gegenwärtig steht die Welt vor riesigen Herausforderungen, allem voran auf dem Gebiet des Klimaschutzes. Auf dem Werkstoffsektor geht es um die Bereitstellung von Rohstoffen, ihre Aufbereitung und den dazu notwendigen Energieaufwand sowie die Wiederverwendung von Werkstoffen. Für das Recycling von ausgewählten Werkstoffgruppen gibt es schon gute Lösungen, für andere müssen sie noch erarbeitet werden. Voraussichtlich müssen dafür auch neue Werkstoffe entwickelt werden. Die Natur hat im Zuge der Evolution umfänglich Materialien hervorgebracht, die für spezifische Anwendungen sowohl hinsichtlich ihrer Eigenschaften, als auch des Recyclings sowie ihre Umweltverträglichkeit optimale Lösungen darstellen. Für komplexe Anforderungen sind es oftmals Verbundmaterialien, die mit vergleichbar niedrigem Energieaufwand hergestellt werden. Sie können uns als Vorbild für neue Werkstoffentwicklungen dienen. Aus diesem Grund haben sich die Herausgeber entschlossen, ein 11. Kapitel über „Bioinspirierte Materialien“ in die „Werkstoffwissenschaft“ aufzunehmen, um beispielhaft zu zeigen, wie optimale Lösungen für ein bestimmtes Anwendungsgebiet entstanden sind und diese auch im Sinne eines Nachahmens – der Biomimetik- genutzt werden können. Übersehen konnten wir auch nicht, wie gegenwärtig Materialien mit völlig neuen Eigenschaften im Entstehen sind. Es sind metallische Nanogläser, deren Elektronenstrukturen bisher noch nie gesehen wurden und zu völlig neue Eigenschaften führen. Als Mitautor konnten wir dafür Herrn Prof. Dr. h.c. mult. Herbert Gleiter, den „Vater der Nanomaterialien“, gewinnen. Als Mitautoren wirkten darüber hinaus neben den zwei Herausgebern Herr Prof. Dr. Hans- Jürgen Ullrich, der seit der 2. Auflage mitarbeitete, Herr Prof. Dr. Thomas Horst, Frau Dr. Birgit Vetter, Frau Dr. Veneta Schubert, Frau Dr. Ute Bergmann, Herr Dr. Mario Rentsch und Herr Dipl. Phys. Axel Mensch mit. Für kritische Hinweise sind wir Herrn Prof. Dr. med. Stefan Rammelt und Herrn Dr. Michael Ruhnow sehr dankbar. Danken möchten wir ausdrücklich für 3 D – Darstellungen mit Hilfe der Computertechnik Herrn Dipl. Phys. Martin Worch und Herrn Dr. Gunter Eschmann. Die Metallografin Frau Petra Lutze trug durch neue Gefügeaufnahmen zu einer besseren Verständlichkeit der Textinhalte bei. Es war eine Freude zu erleben, mit wie viel Engagement sie wirkte.Herrn Dr. Martin Preuss und Herrn Dr. Andreas Sendtko danken die Herausgeber im Namen aller Mitautoren für ihre ausgezeichnete Unterstützung und Begleitung auf dem zweijährigen Weg der Überarbeitung. Im Zuge der Drucklegung und Herstellung trug Frau Andrea Ramachandran mit viel Hingabe dazu bei, dass unsere digitale Vorlage technisch umgesetzt werden konnte. Auch ihr danken wir herzlich und damit dem Verlag Wiley-VCH.
Dresden im April 2025 Hartmut Worch, Wolfgang Pompe und Christoph Leyens
Autorenverzeichnis
Dr. Ing. Ute Bergmann, Dresden
Prof. Dr. Dr. hc. mult. Herbert Gleiter, Eggenstein
Prof. Dr.-Ing. Thomas Horst, Zwickau
Prof. Dr.-Ing. habil. Christoph Leyens, Dresden
Dipl.-Phys. Axel Mensch, Dresden
Prof. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang Pompe, Dresden
Dr.-Ing. Mario Rentsch, Dresden
Dr.-Ing. Veneta Schubert, Dresden
Prof. Dr. rer. nat. habil. Hans- Jürgen Ullrich, Dresden
Dr.-Ing. Birgit Vetter, Dresden
Prof. Dr.-Ing. habil. Hartmut Worch, Dresden
1Einleitung
Es hat sich allgemein durchgesetzt, von „Werkstoffwissenschaft” zu sprechen, wenn es um ein Wissensgebiet geht, das ein in den Einzelheiten bei weitem nicht vollständiges, doch aber in den wesentlichen Zügen umrissenes und wissenschaftlich begründetes Bild von den Werkstoffeigenschaften und deren Ursachen sowie den Möglichkeiten, diese beeinflussen und verändern zu können, gibt.
Bis vor etwa fünf Jahrzehnten bestand kaum Anlass, die an Spannweite äquivalente Bezeichnung „Werkstoffkunde” durch eine andere zu ersetzen. Mit ihr waren damals vorwiegend empirisch ermittelte Fakten gemeint, die, soweit möglich, mit Erkenntnissen der Naturwissenschaften in Verbindung gebracht wurden, jedoch zum größeren Teil nicht oder nur locker – und das auch häufig lediglich über Plausibilitätserklärungen – in ihrem inneren Zusammenhang dargestellt werden konnten. Seitdem hat – nicht zuletzt aus ökonomischen Beweggründen – die Werkstoffforschung einen nie gekannten Aufschwung genommen und mit der Vielfalt der Werkstoffe auch das Wissen über die Werkstoffe eine starke Bereicherung und Vertiefung erfahren. Bei weitgehender Einbeziehung von Ergebnissen der Festkörperphysik und -chemie hat sich eine weiter im Zunehmen begriffene Kohärenz zwischen Wissensteilen, die das Verhalten der einzelnen Werkstoffe verständlich machen, herausgebildet. Viele ehemals zusammenhangslos scheinende Einzelbeobachtungen fügten sich zu systematisierbaren größeren verbindenden Zusammenhängen, mit denen gleichzeitig der Abbau herkömmlicher und die verschiedenen Werkstoffarten trennender Schranken begann.
Es ist nicht nur eine Frage der Zweckmäßigkeit, diesem Tatbestand mit einer aussagefähigeren Benennung des Wissensgebietes zu entsprechen, die seinen vor allem qualitativen Veränderungen gerecht wird und in einer Zeit der Entstehung ständig neuer Termini geeignet ist, der Gefahr des Missverständnisses, der Mehrdeutigkeit und der Einführung bedeutungsunlogischer Begriffe entgegenzuwirken. Die Vergangenheit lehrt, dass die Wahl einer treffenden Bezeichnung nicht allein der Verständigung dient, sondern auch die Formung, Entwicklung und Verselbständigung des sich hinter ihr verbergenden Sachverhaltes fördern kann.
Die Herausbildung umfassender Wissenszusammenhänge ist eine notwendige, jedoch nicht hinreichende Voraussetzung, um von einem eigenständigen Wissensgebiet sprechen zu dürfen. Dessen bedarf es eines weiteren: einer einenden und zugleich ordnenden Betrachtungsweise, von der geleitet der Inhalt des Gebietes in etwa bemessen werden kann. Danach lässt sich die große Mannigfaltigkeit der Werkstoffe und ihrer Eigenschaften ursächlich auf das Zusammenwirken relativ weniger Eigenheiten zurückführen. Das sind (um beim Makroskopischen zu beginnen) der Gefügeaufbau und -zustand, das Ausmaß und die Art der Abweichungen (Defekte) von einer im Raum regelmäßigen Anordnung der Bausteine innerhalb der Gefügebestandteile (Realstruktur) sowie die Bedingungen, unter denen sie sich einstellen, und die Natur der Bausteine des Stoffes sowie die Beschaffenheit der zwischen ihnen bestehenden Wechselwirkungen. Daraus folgt, dass sich im Grundsätzlichen alle Werkstoffe zwischen zwei extreme Vertreter, die realen Einkristalle und die realen amorphen Körper, einordnen lassen, wenn man davon ausgeht, dass in dieser Richtung die Defektdichte zunimmt und im Falle mehrphasiger Stoffe ein „Verbund” von Kristalliten, die hinsichtlich Struktur und/oder chemischer Zusammensetzung verschieden sind, oder auch ein „Verbund” kristalliner und amorpher Phasen vorliegt.
Es erscheint notwendig, darauf hinzuweisen, dass eine derartige Betrachtungsweise auch zur Konsequenz hat, dass es nur eine Werkstoffwissenschaft gibt, und im Plural zu sprechen hieße, die Notwendigkeit einer Vervollkommnung der Integration auf diesem Wissensgebiet zu verkennen oder gar die weitere inhaltliche Verflechtung zu hemmen. Aber allein sie bietet die Gewähr, dass bei der schon großen und mit der Zeit wachsenden Zahl der metallischen, der anorganisch-nichtmetallischen und der organischen Werkstoffe unterschiedlichster Zustände noch sachlich fundierte, dauerhafte und ökonomisch vorteilhafte Lösungen der Werkstoffsubstitution und des differenzierter werdenden Werkstoffeinsatzes gefunden werden können.
Die Entwicklung der Werkstoffwissenschaft zeigt eine zunehmende Tendenz, das Werkstoffeigenschaftsbild über die Ausbildung von bisher (auf das jeweilige Material bezogen) ungewohnten Zuständen mehr oder weniger einschneidend zu verändern. Die Inhalte der ehemals durch menschliche Erfahrung geprägten Begriffe, die in der Vorstellung auch mit bestimmten sich dahinter verbergenden Zuständen verknüpft sind, wie z. B. Metallkristallin oder Glasamorph, erweitern sich ständig. Es werden, um bei den genannten Beispielen zu bleiben, unterdessen amorphe Metalle und kristalline (keramische) Gläser industriell produziert. Aber auch Legierungen, die dem (Gleichgewichts-)Zustandsdiagramm zufolge nicht existent sind, lassen sich beispielsweise über mechanisches Legieren, Ionenimplantation oder physikalische Beschichtungsmethoden nun erzeugen. Oder mithilfe verschiedenartigster Technologien ist es möglich, metallische und nichtmetallische kristalline Materialien zu gewinnen, deren Kristallitgröße über sieben bis neun Größenordnungen reicht, angefangen von makroskopischen Einkristallen mit einer Ausdehnung von 100 … 10–1 m bis herunter zu nanostrukturierten Werkstoffen mit Kristallitgrößen von 10–8 … 10–9 m, die auch bei gleich bleibender Zusammensetzung allein über die Variation der Korngröße gravierende Eigenschaftsänderungen erfahren.
Voraussetzung für solche Entwicklungen sind immer Technologien, die es gestatten, extreme Parameter (wie höchste Abkühlgeschwindigkeit) sowie geeignete Wirkmechanismen (z. B. gesteuerte Kristallisation) zur Geltung zu bringen. Dabei ist die Zahl entsprechender Wirkmechanismen offensichtlich relativ gering, aber ausreichend, um ein breites Band thermodynamisch metastabiler Zustände herstellen zu können und damit die herkömmliche Anschauung, dass Zustände und die diesen zugehöriges Verhalten ein für alle Mal Eigenschaften des Materials (gemäß seiner chemischen Zusammensetzung) seien, zu verdrängen. Die Nutzung einer verhältnismäßig eng begrenzten Zahl von Wirkmechanismen einerseits und die bei Verfügbarkeit geeigneter Technologien zunehmende Zahl der im Einzelfall einstellbaren Werkstoffzustände andererseits, sind gleichbedeutend mit einer Erhöhung des Verflechtungs- wie auch Verallgemeinerungsgrades der elementaren Vorgänge und ihres Verständnisses. Dies wiederum gestattet in einer mehr gezielten und stärker vorausschauend gelenkten Werkstoffforschung in größerem Umfang stoffliche Träger nichtkonservativer Eigenschaften und Verhaltensweisen zu entwickeln. Der künftige Fortschritt auf dem Werkstoffsektor dürfte weniger durch grundsätzlich andere chemische Zusammensetzungen als vielmehr durch die Erzeugung von Zuständen, die von den gegebenen Materialien bisher nicht bekannt waren, gekennzeichnet sein.
