Materialwissenschaft und Werkstofftechnik: Physikalische Grundlagen

642 Pages·2014·34.399 MB·German

by  Günter Gottstein (auth.)

Günter Gottstein
Materialwissenschaft
und Werkstofftechnik
Physikalische Grundlagen
4. Auflage
Springer-Lehrbuch
Weitere Bände in dieser Reihe:
http://www.springer.com/series/1183
Günter Gottstein
Materialwissenschaft und
Werkstofftechnik
Physikalische Grundlagen
4., neu bearbeitete Auflage 2014
Günter Gottstein
Institut für Metallkunde und Metallphysik
RWTH Aachen
Aachen, Deutschland
ISSN 0937-7433
ISBN 978-3-642-36602-4 ISBN 978-3-642-36603-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-36603-1
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Vorwort
Jede wissenschaftliche Disziplin und Epoche hat ihre Standardwerke, die das klassische
Fundament des jeweiligen Fachgebiets gründen. Dazu gehören bspw. in der Physik der
„Pohl“ (Experimentalphysik), die „Feynman Lectures“ (Physikalische Grundlagen)
und der „Kittel“ (Festkörperphysik). Das trifft ebenso auf die Materialwissenschaft und
Werkstofftechnik zu, deren wissenschaftliche Wurzel die Metallkunde ist. Das Lehr-
buch der Metallkunde von Georg Masing hat der deutschen Nachkriegsgeneration die
physikalischen Grundlagen der Werkstoffe vermittelt und die Konzeptionen der Mate-
rialwissenschaft bis heute in seinen Fundamenten geprägt. Das Buch war bereits in den
50er Jahren vergriffen, aber auf seiner Basis hat die „Göttinger Schule“ die Metallkunde
in Deutschland weiter geprägt. Es hat auch nicht an Versuchen gefehlt, den „Masing“
neu aufzulegen, doch erst (der jüngst verstorbene) Prof. Haasen (Nachfolger von Georg
Masing, Schüler von Richard Becker) hat in seinem Lehrbuch „Physikalische Metall-
kunde“ die Tradition fortgesetzt. Obwohl Haasens Lehrbuch viele Liebhaber gefunden
hat, eignet es sich aber nur bedingt als Lehrbuch der Metallkunde speziell für Werkstoff-
ingenieure, denn es setzt die grundlegenden Kenntnisse der Metallkunde bereits voraus
und ist anspruchsvoll in der Darstellung. Damit kommt es für einführende Lehrveran-
staltungen oder gar zum Selbststudium der Metallkunde praktisch nicht in Frage.
Das vorliegende Buch hat dagegen zum Ziel, die Grundlagen zum Verständnis
materialwissenschaftlicher Probleme zu vermitteln und zum Studium weiterführender
Literatur zu befähigen. Andererseits will es sich deutlich von den vielen Büchern über
„Materials Science“ abheben, in denen vorrangig die Phänomene vorgestellt werden
oder ein Verständnis auf rein phänomenologischer und daher zwangsläufig oberflächli-
cher Basis geboten wird. Mit dem vorliegenden Lehrbuch soll der Versuch unternom-
men werden, die Brücke von den atomistischen Mechanismen zu den Phänomenen
und Eigenschaften der Werkstoffe zu schlagen. Das Buch erhebt keinen Anspruch auf
Vollständigkeit oder umfassende Darstellung. Als Lehrbuch muß es notgedrungen einen
angemessenen Kompromiß zwischen Vollständigkeit und Tiefe der Darstellung einge-
hen, wobei der gewählte Kompromiß eine Frage der persönlichen Einschätzung ist, der
für jede Person anders ausfallen mag. Das trifft speziell für das Kapitel „Physikalische
Eigenschaften“ zu, das sich gezielt an Ingenieurstudenten richtet, die erfahrungsgemäß
geringe Vorkenntnisse der Festkörperphysik mitbringen.
V
VI Vorwort
Das Lehrbuch wurde zunächst als Vorlesungsmanuskript zur Einführung in die Mate-
rialwissenschaft und Werkstofftechnik für Studenten sowohl der Metallurgie, der Werk-
stofftechnik als auch der Metallphysik und des Maschinenbaus konzipiert und über die
Jahre entwickelt. Dem Trend zur umfassenderen Behandlung der Werkstoffe über die
Metalle hinaus wurde im Rahmen der metallkundlichen Konzepte Rechnung getragen.
Vorbemerkungen zur 4. Auflage
Seit dem Erscheinen der 1. Auflage dieses Buches hat sich die Situation der Werkstoffwelt
in Deutschland maßgeblich geändert. Die durch eine verwirrende und der Öffentlichkeit
unverständliche Begriffsvielfalt wie Werkstoffwissenschaften, Werkstoffkunde, Materi-
alkunde, Materialwissenschaften, Werkstofftechnik etc. gekennzeichneten Programme
haben sich zu einer neuen Querschnittsdisziplin unter dem einheitlichen Begriff ‚Materi-
alwissenschaft und Werkstofftechnik‘ zusammengefunden. Diese Bezeichnung wird heute
durchgängig in Universität, Wirtschaft und Verwaltung verwendet. Der in diesem Zusam-
menhang gegründete Studientag ‚Materialwissenschaft und Werkstofftechnik‘, der die
Studienprogramme an Universitäten und Hochschulen repräsentiert, oder die Bundesver-
einigung ‚Materialwissenschaft und Werkstofftechnik‘, der Dachverband der werkstoffori-
entierten Vereine in Deutschland, geben von dieser Entwicklung beredtes Zeugnis.
Um dieser Entwicklung Rechnung zu tragen, haben wir uns bei der 4. Auflage des
Lehrbuchs ‚Physikalische Grundlagen der Materialkunde‘ entschlossen, neben dem
veränderten Erscheinungsbild auch dem modernen Trend zu folgen und den Titel des
Buches zu ändern in ‚Materialwissenschaft und Werkstofftechnik: Physikalische Grund-
lagen‘. Ferner kommen wir in dieser 4. Auflage einem vielfach geäußerten Wunsch nach
und ergänzen den Text durch einen Aufgabenteil mit Lösungen. Die Aufgabensamm-
lung mit den zugehörigen Lösungen entstammt dem Fundus der Übungsaufgaben zur
Vorlesung Materialkunde an der RWTH Aachen und wurde ganz überwiegend von
meiner Assistentin, Frau Dipl.-Ing. Kathrin Grätz, zusammengestellt und für dieses
Buch aufbereitet. Wir hoffen, dass diese Ergänzung den Leserinnen und Lesern hilft,
den Inhalt des Buches noch besser zu verstehen und ihr konzeptionelles Verständnis der
Materialkunde zu vertiefen.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass ergänzend zu Lehrbuch und Aufgabenteil ein
komplementäres elektronisches Lernprogramm über das Internet frei zugänglich ist.
Dazu ruft man unter ‚www.imm.rwth-aachen.de‘ die Homepage des Instituts für Metall-
kunde und Metallphysik der RWTH Aachen auf und wählt unter den Angeboten ‚Metis‘
aus. ‚Metis‘ ist wie das Lehrbuch strukturiert und der Benutzer kann unter den Buchka-
piteln interaktive Simulationsapplets aufrufen, bei denen geeignete Parameter frei einge-
stellt werden können, um deren Einfluss auf die gewählten materialkundlichen Vorgänge
zu studieren.
VII
VIII Vorbemerkungen zur 4. Auflage
Weiterhin wurde der Inhalt des Buches dadurch erweitert, dass nun auch die Grund-
lagen einer in neuerer Zeit in den Blickpunkt gerückten Werkstoffklasse, den niedrigdi-
mensionalen Systemen, wie dünne Filme, Nanoröhren und metallische Gläser, zumindest
einführend behandelt werden.
Wie bei den früheren Auflagen hat Irene Zeferer Text und Layout mit großer Sorg-
falt und Umsicht erstellt, Barbara Eigelshoven hat die Abbildungen zur Einbindung in
den Text in bestmöglicher Qualität aufbereitet. Für ihr besonderes Engagement und ihre
unermüdliche Einsatzbereitschaft möchte ich allen Mitarbeiterinnen herzlich danken.
Den Lesern wünsche ich angenehme und lehrreiche Lektüre.
Einführung
„Die Entwicklung neuer Materialien wird international als Schlüsseltechnologie mit Quer-
schnittscharakter und Schrittmacherfunktion für viele industrielle Bereiche eingestuft. Die
Fähigkeit zur Herstellung, Verarbeitung und Anwendung leistungsfähiger Materialien ist
Voraussetzung für neue, international wettbewerbsfähige Produkte und Verfahren und ein
Schlüssel zu mehr Ressourceneffizienz und Umweltschutz.“ schrieb eine Gutachterkommis-
sion, die im Jahre 1996 die Materialforschung in Nordrhein-Westfalen zu beurteilen hatte.1
In Ihrem Positionspapier zur Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in Deutschland
bemerkt die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, acatech, im Jahr 2008: ‚Die
Tatsache, dass die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften die Notwendigkeit sieht,
sich einem so grundsätzlichen Thema wie den „Werkstoffen“ zuzuwenden, ist einerseits ein
Zeichen für die Leistungsfähigkeit der materialwissenschaftlichen und werkstofftechnischen
Forschung und zeigt die Schlüsselrolle des Fachgebiets der Materialwissenschaft und Werk-
stofftechnik für alle produktiven Sektoren der Wirtschaft in Deutschland.
Die genannten Fertigkeiten setzen naturgemäß eine Kenntnis der physikalischen
Grundlagen als Schlüssel zum Verständnis der Eigenschaften von Materialien voraus.
Diese Grundlagen sind Gegenstand der Materialkunde, und ihnen ist dieses Lehrbuch
gewidmet. Der Begriff „Materialkunde“ ist relativ jung und auch nur unpräzise definiert.
Manchmal wird darunter eine Erweiterung der Metallkunde auf nichtmetallische Werk-
stoffe verstanden. Speziell von den Naturwissenschaftlern wird die Materialwissenschaft
häufig ausschließlich in bezug auf neuartige oder gar exotische Funktionswerkstoffe
gesehen. Bezieht man diese Materialien aber ein in die große Gruppe der technisch nutz-
baren Stoffe, dann wird Materialkunde ein modernes Synonym zur Werkstoffwissen-
schaft, in Anlehnung an den eindeutig besetzten englischen Begriff „Materials Science“.
Die Materialwissenschaft ist damit die Lehre vom Zusammenhang zwischen mikro-
skopischem Aufbau und makroskopischen Eigenschaften technisch nutzbarer Materia-
lien. Sie führt das große Spektrum technologisch einsatzfähiger Festkörper von Metallen
über Keramiken, Gläser und Kunststoffe bis hin zu den Verbundwerkstoffen unter einem
Dach zusammen.
1 Stärkung der universitären Metallforschung in NRW, Herausg. Ministerium für Wissenschaft-
und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen (1997).
IX
X Einführung
Die technisch wohl bedeutendste Werkstoffgruppe, sowohl was gegenwärtige Produk-
tion und Verwendung als auch Tradition und systematische Entwicklung betrifft, sind
die Metalle. Ihre vorzügliche Kombination von Formbarkeit und Festigkeit empfiehlt
sie als Konstruktionswerkstoffe und ihre gute elektrische Leitfähigkeit macht sie für die
Elektroindustrie unentbehrlich. Metalle haben daher über Jahrtausende hinweg — ganze
geologische Zeiträume sind nach ihnen benannt — die Werkstoffgeschichte und -ent-
wicklung bestimmt. Im technologisch ausgerichteten „industriellen Zeitalter“ mit Bedarf
für preisgünstige Massengüter und Bauteile für extreme Anforderungen haben aber
Hochleistungskeramiken, Kunststoffe und schließlich Verbundwerkstoffe als Konstruk-
tionswerkstoffe in steigendem Maße Verwendung gefunden.
Die materialwissenschaftliche Behandlung von Keramiken und Kunststoffen ist ver-
hältnismäßig jung im Vergleich zur Metallkunde. In den grundsätzlichen Zusammen-
hängen lassen sich aber Metalle, Keramiken und Kunststoffe überwiegend in einem
einheitlichen Rahmen beschreiben, der sich im wesentlichen aus den Grundlagen der
Metallkunde ableitet. Die Metallkunde ist in dieser Hinsicht die Mutter der Materialwis-
senschaft und Werkstofftechnik was sich aus der umfangreichen Beschäftigung vieler
Forschergenerationen mit dieser Werkstoffgruppe erklärt. Die Metallkunde selbst ist
aber trotz der sehr langen Tradition metallischer Werkstoffe keine klassische Wissen-
schaftsdisziplin. Die Gewinnung und Verarbeitung von Metallen galt lange Zeit als
geschätztes Geheimnis und wurde durch mündliche Überlieferung und praktische
Aneignung von Generation zu Generation vererbt. Erst im Mittelalter hat ein Gelehrter
namens Bauer (ins Lateinische übersetzt als „Agricola“ bezeichnet) die Rezepte der
Metallverarbeitung aufgeschrieben, in seinem Werk „De Re Metallica“.2 Das Buch liest
sich wie eine mystische Anleitung zur Metallverarbeitung, von Stierblut und klaren
Mondnächten ist u. a. die Rede, Kobolde und Nickel treiben ihr Unwesen (daher die
Bezeichnung Kobalt und Nickel), was alles seine praktische Bewandtnis hat und heute
eine wissenschaftliche Erklärung findet. Tatsächlich war die Metallkunde im Mittelalter
eine Richtung der Alchemie, die mit einer Mischung aus empirischen Rezepten und
Aberglauben ihre Kunst betrieb. Mit der immer stärker werdenden wissenschaftlichen
Orientierung in der Neuzeit wurde die Metallkunde eine Richtung der Chemie, wo sie
auch heute noch an vielen Universitäten beheimatet ist. Die rasche Entwicklung im Ver-
ständnis der Eigenschaften, insbesondere durch die Entdeckung der Röntgenstrahlen
und ihre Anwendung für die Kristallstrukturanalyse, zeigte bald, daß im Gegensatz zur
damals herrschenden Auffassung die Eigenschaften der Metalle nicht nur durch die che-
mische Zusammensetzung bestimmt waren. Damit wurde die Metallkunde nun in der
physikalischen Chemie angesiedelt. Die Entwicklung der atomistischen Grundlagen für
das Verständnis der mechanischen und elektronischen Eigenschaften metallischer Werk-
stoffe im Rahmen der Versetzungstheorie bzw. der Elektronentheorie der Metalle hat
den Schwerpunkt der Metallkunde zu Anfang des vorigen Jahrhunderts immer stärker
zur Physik verschoben und schließlich zur Disziplin der Metallphysik geführt, die die
2 Agricola (1961) De Re Metallica. VDI-Verlag, Düsseldorf.