Werkstoff

Als Werkstoffe bezeichnet man Arbeitsmittel rein stofflicher Natur, die eingesetzt werden um Werkstücke oder Werkzeuge herzustellen. Die meisten Werkstoffe bestehen aus Feststoffen. Dabei werden sie zumeist erst in die Form von Halbzeugen (vorgefertigte Rohmaterialien wie Rohre, Stangen, Bleche oder Granulate) gebracht. Die Eigenschaften und Qualität der Endprodukte hängt maßgeblich von der Auswahl geeigneter Werkstoffe ab. Je nach Anforderung variieren die Ansprüche an die Werkstoffe stark. Zur Überprüfung dessen wird die Werkstoffprüfung eingesetzt.

Für detailliertere Beschreibungen der einzelnen Werkstoffarten, siehe in den Unterartikeln:

Realisierung von modernen Faserverbundwerkstoffen, TU München

Arten und Gliederung

Heutzutage unterscheidet man in der Werkstoffkunde in folgende Werkstoffklassen:

Metallische Werkstoffe

Eisenmetalle
- Roheisen: mit einem Kohlenstoffgehalt von 4-5 % und Anteilen von Schwefel, Phosphor und Silizium
- Gusseisen: mit einem Kohlenstoffgehalt von 2,06 bis 6,67 %
- Stahl: mit einem Kohlenstoffgehalt unter 2 % und ist im Gegensatz zum Gusseisen durch Legierungen und thermischer Behandlung plastisch verformbar
- Verschiedene Legierungen und Hartmetalle

Nichteisenmetalle
- NE-Legierungen:
  - Guss- und Knetlegierungen
- Reinmetall, zum Beispiel:
  - Aluminium
  - Kupfer
  - Messing
  - Bronze
  - Titan

Nichtmetallische Werkstoffe

Holz als organischer Werkstoff besitzt unter anderem im Möbelbau große Bedeutung

Organisch
- Natürliche Faserwerkstoffe, zum Beispiel:
  - Holz
  - Lehm
  - Hanf
- Künstliche Faserwerkstoffe, zum Beispiel:
  - Polymere

Anorganisch
- Keramik
- Kristalle
- Anorganische Gläser

Verbundwerkstoffe

Matrix-Faser-Stoffe, zum Beispiel:
- CFK
- Kevlar
- Metall MMC

Gebrauchsorientierte Einteilung

Werkstoffe lassen sich ebenfalls ihren Verwendungszwecken nach einteilen:

Konstruktionswerkstoffe

Funktionswerkstoffe

Werkzeugwerkstoffe

Eigenschaften

Zur besseren Übersicht gliedert man die Eigenschaften von Werkstoffen in 4 Kategorien:

Technologische Eigenschaften

Gießbarkeit
Verformbarkeit
Umformbarkeit
Schweißbarkeit
Zerspanbarkeit

Physikalische Eigenschaften

Verschiedene Halbzeuge aus S235 (allg. Baustahl, poliert)

Mechanische Eigenschaften
- Dichte
- Härte
- Aggregatzustand
- Festigkeit
  - Zugfestigkeit
  - Druckfestigkeit
- Elastizität
- Plastizität
- Duktilität
- Zähigkeit
  - Kriechzähigkeit
  - Risszähigkeit
- Schmelztemperatur

Elektrische Eigenschaften
- Leitfähigkeit
- Kriechstromfestigkeit
- Dielektrizitätskonstante

Optisch und akustische Eigenschaften
- Lichtbrechung
- Undurchsichtigkeit
- Transparenz
- Lichtreflexion
- Schallabsorption
- Schallreflexion

Tribologische Eigenschaften
- Reibzahl
- Verschleißwiderstand
- Neigung zum Kaltschweißen

Halbzeuge aus Kupfer mit besonders hoher elektrischer Leitfähigkeit

Thermische Eigenschaften
- Wärmeausdehnung
- Wärmeleitfähigkeit
- Spezifische Wärmekapazität
- Festigkeit
  - Kaltfestigkeit
  - Warmfestigkeit

Sonstige physikalische Eigenschaften
- Magnetismus

Chemische Eigenschaften

Brennbarkeit
Korrosionsbeständigkeit
Säurebeständigkeit
Laugenbeständigkeit
Antimikrobielle Wirkung

Ökologische Eigenschaften

Recyclingfähigkeit
Giftigkeit
Herstellungsprozess
- Emissionen
- Energieverbrauch
- Rohstoffverbrauch

Strukturebenen

Werkstoffe sind auf verschiedenen Strukturebenen zu betrachten. So ergeben sich bei der Betrachtung der verschiedenen Ebenen unterschiedliche erkennbare Eigenschaften und deren Ursache. Um mit allen Größenordnungen in den gleichen Gleichungen rechnen zu können werden für Formeln alle Einheiten in der SI-Einheit Meter angegeben. Um unnötige lange Vor- oder Nachkommastellen zu vermeiden werden die Werte mit 10^x m angegeben. Die Strukturebenen sind der Größe nach aufgebaut in:

Atomare Ebene

Auf der atomaren Ebene lassen sich viele physikalische und chemische Phänomene erklären. Diese Ebene ist allerdings für technische Anwendungen zu klein und detailreich. Bei großen Bauwerken wie Brücken oder Gebäuden, aber auch bei Maschinen wie einer Drehmaschine werden die Zahlen durch den kleinen Maßstab viel zu groß um damit zu rechnen. Daher betrachtet man diese Ebene eher in der Forschung als in der täglichen Anwendung eines Ingenieurs. Die Maßeinheit für diese Strukturen ist der Anström, welcher mit 1 A = 10^-10 m angegeben wird.

Bindungsstruktur

Die Bindungen der Atome zu Molekülen spielt für technische Eigenschaften eine wichtige Rolle. So finden sich auf dieser Ebene die Antworten, beispielsweise warum Metalle eine so hohe Bindungsenergie besitzen. Auch dieser Maßstab ist allerdings für technische Anwendungen und den Alltag eines Ingenieurs zu klein. Die Maßeinheit für diese Strukturen ist der Nanometer, welcher mir 1 nm = 10^-9 m angegeben wird.

Mikrostruktur

Die Mikrostruktur ist die kleine Ebene mit der ein Ingenieur arbeitet. Besonders wichtig ist diese Ebene für viele Bereiche der Werkstoffkunde und -technik. Besonders in der Metallographie spielt diese Ebene in der sich die unterschiedlichen Phasen erkennen lassen. Eine Phase ist ein Bereich in dem ein heterogener Stoff ein homogenes Teilgebiet besitzt. Das bedeutet, dass innerhalb einer Phase ein Werkstoff der aus mehreren Phasen besteht innerhalb dieser Grenze homogen ist. Ein Beispiel hierfür ist Stahl. Die einzelnen Phasen lassen sich dabei deutlich voneinander unterscheiden. Die Mikrostruktur wird auch als Gefüge bezeichnet, welches wie folgt definiert ist: "Der Begriff Gefüge kennzeichnet die Beschaffenheit der Gesamtheit jener Teilvolumina, von denen jedes hinsichtlich seiner Zusammensetzung und der räumlichen Anordnung seiner Bausteine in Bezug auf ein in den Werkstoff gelegtes ortsfestes Achsenkreuz in erster Näherung homogen ist. [...]. Das Gefüge ist durch die Art, Form, Größe, Verteilung und Orientierung der Gefügebestandteile charakterisiert." ^[1]. Auf dieser Ebene lassen sich auch Gitterfehler erkennen, welche in kristallinen Werkstoffen wie Metallen vorkommen können. Diese können ungewollt oder gewollt sein und beeinflussen die technischen Eigenschaften maßgeblich. Durch eine bestimmte Bearbeitung durch zum Beispiel Wärmebehandlung können diese Gitterfehler reduziert oder erhöht werden. Die Maßeinheit für diese Strukturen ist der Mikrometer, welcher mir 1 μm = 10^-6 m angegeben wird.

Makrostruktur

Die Makrostruktur ist die Strukturebene die wir alle sehen können. Sie beschreibt die Form, und Maße eines Werkstückes. Obwohl sie uns in jedem Augenblick begegnet, da wir sie mit bloßem Auge erkennen können, teilen wir diese Größenordnung nicht als Strukturebene ein. Das liegt an der von uns aufgebrachten Selbstverständlichkeit. Ob ein Objekt rund, eckig oder vielförmig ist erkennt man sofort, ob der Stoff aber homogen oder heterogen ist nicht. Trotzdem muss auch diese Größenordnung als Strukturebene verstanden werden. Sie ist unverzichtbar für die täglichen Anwendung maschinenbaulicher Disziplinen. Die Makrostruktur kann in verschiedenen Maßeinheiten angegeben werden. Je nach Größe des Bauteiles wird in mm (1 mm = = 10^-3 m), cm (1 cm = 10^-2 m), dm (1 dm = 10^-1 m), oder m angegeben. Bei Großprojekten wie Straßenbau kann auch die Angabe in km (1 km = = 10³ m) erfolgen.

Geschichte

Die Verwendung von Werkstoffen zieht sich bereits durch die gesamte Geschichte der Menschheit. Die ältesten Werkstoffe die der Mensch verwendet waren Holz und Stein. Dabei war die Nutzung von verschiedenen Steinen als Werkzeuge so wichtig für die Menschheit, dass man nach ihnen eine ganze Epoche, die Steinzeit, benannte. Dies geschah auch für Kupfer (Kupfersteinzeit), Bronze (Bronzezeit) und Eisen (Eisenzeit) woran man die Bedeutung der Verwendung neuer Werkstoffe für die Evolution des Menschen erkennen kann.

Im 10. Jahrtausend vor Christus stellte der Mensch mit Keramik das erste Mal einen künstlichen Werkstoff her. Im 8. Jahrtausend begannen Menschen dann mit der technischen Nutzung von Metallen. Da die Eigenschaften der damals bekannten Metalle Gold, Silber und Bronze für den Einsatz als Werkzeuge noch zu gering war führte das zur Entdeckung und Herstellung der ersten Legierung, der Bronze. Ein fortschrittlicher Bergbau von Kupfer- und Zinnerz und die Metallverhüttung waren schon zu diesem Zeitpunkt Voraussetzung für die Herstellung von Bronze im größeren Stil. Durch die Verbesserung dieser Technologien gelang es dem Menschen schließlich Eisen zu verhütten und nach einiger Zeit durch verschiedene Schmiedeverfahren Stahl herzustellen.

Der Abbau von Werkstoffen trug dabei einen wesentlichen Teil zur Bildung von Städten und Siedlungen bei. Bald wurden Edelmetalle für Tauschgeschäfte und Handel verwendet und Metalle wie Eisen wurde zur Herstellung von Gebrauchsgegenständen und Waffen verwendet.