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Grundlagen der Werkstoffkunde

  • Birgit SkrotzkiEmail author
  • Franz-Georg Simon
  • Horst Czichos
Living reference work entry

Zusammenfassung

Der Aufbau der Werkstoffe wird durch Merkmale wie Bindungsart, atomare Strukturen, Kristallstrukturen einschließlich ihrer Gitterbaufehler, Körner und Phasen bestimmt. Die Mikrostruktur (Gefüge) stellt den Verbund der Kristalle, Phasen und Gitterbaufehler auf mikroskopischer und nanoskopischer Skala dar. Die Grundlagen der Phasenumwandlungen werden behandelt und die Bedeutung von Diffusionsprozessen erläutert. Werkstoffe sind bedeutend für Kultur, Wirtschaft, Technik und Umwelt. Ihre Herstellung benötigt Ressourcen und Energie. Recycling ist eine Möglichkeit zur Erhöhung der Ressourcenproduktivität.

Schlüsselwörter

Materialkreislauf Aufbau von Festkörpern Kristallsystem Gleichgewicht Ungleichgewicht Kreislaufwirtschaft Ressourcen Wirtschaftliche Bedeutung Umwelt Kumulierter Energieaufwand Kumulierter Ressourcenaufwand Recycling 

1 Übersicht

1.1 Der Materialkreislauf

Die Prozesse und Produkte der Technik erfordern zu ihrer Realisierung eine geeignete materielle Basis. Material ist die zusammenfassende Bezeichnung für alle natürlichen und synthetischen Stoffe, Materialforschung, Materialwissenschaft und Materialtechnik sind die sich mit den Stoffen befassenden Gebiete der Forschung, Wissenschaft und Technik.

Werkstoffe im engeren Sinne nennt man Materialien im festen Aggregatzustand, aus denen Bauteile und Konstruktionen hergestellt werden können (Gräfen 1993). Bei den Konstruktionswerkstoffen (auch Strukturwerkstoffe genannt) stehen die mechanisch-technologischen Eigenschaften im Vordergrund. Funktionswerkstoffe sind Materialien, die besondere funktionelle Eigenschaften, z. B. physikalischer und chemischer Art oder spezielle technisch nutzbare Effekte realisieren, z. B. optische Gläser, Halbleiter, Dauermagnetwerkstoffe (Callister und Rethwisch 2013).

Die Energieträger, wie Kraftstoffe, Brennstoffe, Explosivstoffe gehören im strengen Sinne nicht zu den genannten Gruppen, d. h. sie sind als Materialien, aber nicht als Werkstoffe zu bezeichnen. Den stofflichen Grundprozess der gesamten Technik fasst der im Abb. 1 skizzierte Materialkreislauf zusammen. Er stellt den Weg der (späteren) Materialien von den natürlichen Vorräten über Rohstoffe, Werkstoffe zu technischen Produkten dar und ist durch die Aufeinanderfolge unterschiedlichster Technologien gekennzeichnet:
  • Rohstofftechnologien zur Ausnutzung der natürlichen Ressourcen,

  • Werkstofftechnologien zur Erzeugung von Werkstoffen und Halbzeugen aus den Rohstoffen,

  • Konstruktionsmethoden und Produktionstechnologien für Entwurf und Fertigung von Bauteilen und technischen Produkten,

  • Betriebs-, Wartungs- und Reparaturtechnologien zur Gewährleistung von Funktionsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit des Betriebs,

  • Wiederaufbereitungs- und Rückgewinnungstechnologien zur Schließung des Materialkreislaufs durch Recycling oder – falls dies nicht möglich ist – durch umweltgerechte Entsorgung.
    Abb. 1

    Der Materialkreislauf

Unter wirtschaftlichen Aspekten ist der Materialkreislauf auch als Wertschöpfungskette zu betrachten. Die für technische Produkte benötigten Konstruktions- und Funktionswerkstoffe müssen dem jeweiligen Anwendungsprofil entsprechen und gezielt bezüglich Material- und Energieverbrauch, Qualität, Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit, Gebrauchsdauer, Umweltschutzerfordernissen usw. optimiert werden.

1.2 Werkstoffe in Kultur und Technik

Kultur- und Technikgeschichte der Werkstoffe

Werkstoffe bilden die stoffliche Basis aller von Menschen geschaffenen Erzeugnisse: von den Gebrauchsgegenständen der Kupfer-, Bronze- und Eisenzeit bis zu den heutigen „High-Tech-Produkten“. Materialeigenschaften prägen damit nicht nur das Erscheinungsbild und die Originalität von Kulturgütern und Kunstwerken (Czichos und Hahn 2011), sondern auch die Funktionalität technischer Bauteile und Konstruktionen. Die folgenden Stichworte geben eine kurze Übersicht über kulturelle und technische Entwicklungen:

Kulturgeschichte

Altsteinzeit vor etwa 10.000 Jahren

Jungsteinzeit, 8000 bis 7000 v. Chr.

Kupferzeit, 7000 bis 3000 v. Chr.

Bronzezeit, 3000 bis 1000 v. Chr.

Eisenzeit seit Mitte 2. Jahrtausend v. Chr.

„Eiserne Engel“

Maschinen von der Antike bis zur industriellen Revolution (Walter Kiaulehn)

Werkstoffe im 20. Jahrhundert:

Basis für Technologien und Industrien (Czichos 1998)

Aluminiumlegierungen seit den 1920ern

Flugzeugbau, Luftfahrtindustrie

Hartmetalle seit den 1930ern

Fertigungs-, Produktionstechnik

Polymere seit den 1940ern

Kunststoffe, chemische Industrie

Superlegierungen seit den 1950ern

Düsentriebwerke, Turbinenbau

Halbleiter seit den 1960ern

Transistortechnik, Elektronikindustrie

Neue Keramiken seit den 1970ern

,,High-Tech-Industrien“

Bio-Materialien seit den 1980ern

Biotechnologien, Medizintechnik

Nano-Materialien seit den 1990ern

Mikro- und Nanotechnik

Werkstoffe und die Eigenschaften technischer Produkte

Wie ebenfalls aus dem Materialkreislauf, Abb. 1, abgelesen werden kann, werden Werkstoffe durch Konstruktion und Fertigung in technische Produkte „transformiert“, formelartig geschrieben:
$$ \mathrm{Werkstoff}\underset{\mathrm{Fertigung}}{\overset{\mathrm{Konstruktion}}{\to }}\mathrm{technisches}\ \mathrm{Produkt} $$

Informationsbezogen kann das heißen: Kenntnis der Beschaffenheit und des Verhaltens der Werkstoffe ist Voraussetzung einer erfolgreichen Konstruktion. Stoffbezogen: Die Verfügbarkeit und Verwendung von technologisch und funktionell geeigneten Stoffen ist Voraussetzung guter Produktionsqualität. Auch drückt die Formel die Tatsache aus, dass durch ingeniöse Konstruktion und Fertigung die Werkstoffeigenschaften in eine Fülle von Produkteigenschaften aufgefächert und übersetzt werden können.

Ein besonders für Erwerber und Benutzer wichtiges Merkmal technischer Produkte ist deren Qualität, sie ist eng mit den Merkmalen Zuverlässigkeit und Sicherheit verknüpft. Qualität ist die Beschaffenheit einer Betrachtungseinheit bezüglich ihrer Eignung, festgelegte und vorausgesetzte Erfordernisse und Funktionen zu erfüllen. Zuverlässigkeit ist die Eigenschaft, funktionstüchtig zu bleiben. Sie ist definiert also die Wahrscheinlichkeit, dass ein Werkstoff, Bauteil oder System seine bestimmungsgemäße Funktion für eine bestimmte Gebrauchsdauer unter den gegebenen Funktions- und Beanspruchungsbedingungen ausfallfrei, d. h. ohne Versagen, erfüllt. Sicherheit ist die Wahrscheinlichkeit, dass von einer Betrachtungseinheit während einer bestimmten Zeitspanne keine Gefahr ausgeht, bzw. dass das Risiko – gekennzeichnet durch Schadenswahrscheinlichkeit und Schadensausmaß – unter einem vertretbaren Grenzrisiko bleibt.

Die Beurteilung der Qualität, Zuverlässigkeit und Sicherheit von Werkstoffen, Bauteilen oder Systemen geschieht mit den Mitteln der Materialprüfung, siehe Kap. „Materialprüfung“. Dabei ist insbesondere auch festzustellen, inwieweit oder auf welche Weise die Ergebnisse von Werkstoffprüfungen auf Bauteile oder Systeme übertragen werden können.

1.3 Werkstoffe in technischen Anwendungen

1.3.1 Strukturwerkstoffe

Strukturwerkstoffe werden für mechanisch beanspruchte Bauteile in allen Bereichen der Technik eingesetzt. Hauptanwendungsgebiete der primär festigkeitsbestimmten Strukturwerkstoffe ist der allgemeine Maschinenbau, die Feinwerktechnik, das Bauwesen und die Anlagentechnik. Strukturwerkstoffe kommen aus allen metallischen, anorganischen und organischen Stoffbereichen. Im Hinblick auf die Erzielung möglichst wirtschaftlicher Lösungen wird im Allgemeinen versucht, hochentwickelte Werkstoffe mit gutem Preis-Leistungs-Verhältnis zu verwenden, deren Eigenschaften in Kombination mit günstiger Verarbeitbarkeit und Sicherheit für zahlreiche allgemeine Anwendungsfälle ausreichend sind. Hierzu gehören bei den metallischen Werkstoffen z. B. Baustähle, Gusseisen mit Kugelgraphit, automatengeeignete Qualitäten und preiswerte Messingarten, bei den Polymerwerkstoffen die Thermoplaste PE, PVC, PS, duroplastische Phenolharze und gummielastische Dienelastomere sowie bei den anorganisch-nichtmetallischen Werkstoffen die einfach zu verarbeitenden Betonwerkstoffe, Silicatkeramiken und Kalknatrongläser. Für mechanisch hochbeanspruchte Bauteile kommen außerdem verschiedene, meist faserverstärkte Verbundwerkstoffe zum Einsatz. Die hauptsächlichen Anforderungen an Strukturwerkstoffe betreffen neben der statischen und dynamischen Festigkeit und Steifigkeit eine ausreichende Beständigkeit gegenüber thermischen, korrosiven und tribologischen Beanspruchungen.

1.3.2 Funktionswerkstoffe

Funktionswerkstoffe sind primär durch nicht-mechanische Eigenschaften, speziell elektrischer, magnetischer oder optischer Art gekennzeichnet. Hauptanwendungsbereiche sind die Elektrotechnik, Elektronik, Kommunikations- und Informationstechnik sowie die zugehörigen Gerätetechnologien. Wichtige Funktionsmaterialien sind z. B. die für elektrotechnische und elektronische Bauelemente verwendeten Halbleiter (Silicium, Galliumarsenid, Indiumphosphid), Flüssigkristallpolymere (LCP) auf Aramid- und Polyesterbasis sowie keramische Werkstoffe mit piezoelektrischen und elektrooptischen Eigenschaften (z. B. Bleizirkoniumtitanat, Bleilanthanzirkoniumtitanat). Sie bilden die stoffliche Basis von Bauelementen in Bereichen wie integrierte Schaltungen, Optoelektronik, Fotovoltaik. Funktionswerkstoffe werden außerdem in der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik als Aktoren für Mikro-Stellvorgänge und als Sensoren zur Detektion oder Umwandlung von Signalen unterschiedlicher physikalischer Natur eingesetzt. Beispiele derartiger Sensortechnologien und zugehöriger Umwandlungsfunktionen sind: Bimetalle (thermisch-mechanisch), Formgedächtnislegierungen (thermisch-mechanisch), Thermoelemente (thermisch-elektrisch), Dehnungsmessstreifen (mechanisch-elektrisch), Fotoelemente (optisch-elektrisch), Piezoelemente (mechanisch-elektrisch, akustisch-elektrisch).

1.4 Gliederung des Werkstoffgebietes

Für die fachliche Gliederung des Werkstoffgebietes gibt es mehrere Aspekte, die mit den Methoden der Systemtechnik kombiniert werden können. Werkstoffe sind bestimmungsgemäß Bestandteil von Gegenständen oder technischen Systemen. Jedes technische System ist durch die beiden Merkmale Funktion und Struktur gekennzeichnet, vgl. Kap. „Grundlagen der Produktentwicklung“. Entwicklung und Anwendung technischer Systeme erfordern neben der Kennzeichnung struktureller und funktioneller Eigenschaften Mess- und Prüftechniken zur Beurteilung des Systemverhaltens sowie Auswahl- und Gestaltungsmethoden für ihre Bauelemente.

Für das Werkstoffgebiet ist ein mehrdimensionales Gliederungsschema mit folgenden Schwerpunkten zweckmäßig:
  1. a)

    Aufbau der Werkstoffe: Stoffliche Natur, unterschiedlich hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, Bindungsart und Mikrostruktur (Gefüge).

     
  2. b)

    Beanspruchung: Einflüsse, die auf Werkstoffe bei der Anwendung einwirken, deren Parameter und zeitlicher Verlauf.

     
  3. c)

    Eigenschaften: Kenngrößen und Systemdaten, die das Verhalten von Werkstoffen gegenüber den verschiedenen Beanspruchungen und in ihren technisch-funktionellen Anwendungen beschreiben.

     
  4. d)

    Schädigungsmechanismen: Veränderungen der Stoff- oder Formeigenschaften von Werkstoffen bzw. Bauteilen, die deren Funktion beeinträchtigen können.

     
  5. e)

    Materialprüfung: Techniken und Methoden zur Untersuchung und Beurteilung von Materialien, Bauteilen und Konstruktionen.

     
  6. f)

    Materialauswahl: Techniken und Methoden zur anwendungsbezogenen Auswahl von Materialien.

     
  7. g)

    Referenzmaterialien, Referenzorganismen und Referenzverfahren zur Qualitätssicherung des Materialverhaltens in technischen Anwendungen.

     

2 Aufbau der Werkstoffe

Der Aufbau eines Werkstoffs ist durch folgende Merkmale bestimmt:
  1. a)

    Die chemische Natur seiner atomaren oder molekularen Bausteine.

     
  2. b)

    Die Art der Bindungskräfte (Bindungsart) zwischen den Atomen bzw. Molekülen.

     
  3. c)

    Die atomare Struktur, das ist die räumliche Anordnung der Atome bzw. Moleküle zu elementaren kristallinen, molekularen oder amorphen Strukturen; diese bilden bei kristallinen Stoffen Elementarzellen, die als eigentliche Grundbausteine des Stoffs angesehen werden können.

     
  4. d)

    Die Kristallite oder Körner, das sind einheitlich aufgebaute Bereiche eines polykristallinen Stoffs, die durch sog. Korngrenzen voneinander getrennt sind.

     
  5. e)

    Die Phasen der Werkstoffe, das sind Bereiche mit einheitlicher atomarer Struktur und chemischer Zusammensetzung, die durch Grenzflächen (Phasengrenzen) von ihrer Umgebung abgegrenzt sind.

     
  6. f)
    Die Gitterbaufehler, das sind Abweichungen von der idealen Kristallstruktur:
    • Punktfehler: Fremdatome, Leerstellen, Zwischengitteratome, Frenkel-Defekte

    • Linienfehler: Versetzungen

    • Flächenfehler: Stapelfehler, Korngrenzen, Phasengrenzen

     
  7. g)

    Die Mikrostruktur oder das Gefüge, das ist der mikroskopische Verbund der Kristallite, Phasen und Gitterbaufehler.

     

2.1 Aufbauprinzipien von Festkörpern

Alle Materie ist aus den im Periodensystem der Elemente zusammengefassten Atomen aufgebaut (siehe Kap. „Grundlagen zu chemischen Elementen, Verbindungen und Gleichungen“). Die Bindung zwischen je zwei Atomen eines Festkörpers resultiert aus elektrischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Partnern, siehe Abb. 2. Die Überlagerung der Abstoßungs- und Anziehungsenergien (oder Potenziale) führt zu einem Potenzialminimum, dessen Tiefe die Bindungsenergie UB und dessen Lage den Gleichgewichtsabstand r0 (Größenordnung 0,1 nm) angibt.
Abb. 2

Wechselwirkungsenergien zwischen zwei isolierten Atomen (UB Bindungsenergie; r0 Gleichgewichtsabstand)

Die chemischen Bindungen zwischen den Elementarbausteinen fester Körper werden eingeteilt in (starke) Hauptvalenzbindungen (Ionenbindung, Atombindung, metallische Bindung) und (schwache) Nebenvalenzbindungen:
  • Ionenbindung (heteropolare Bindung): Jedes Kation gibt ein oder mehrere Valenzelektronen an ein oder mehrere Anionen ab. Bindung durch ungerichtete elektrostatische (Coulomb-) Kräfte zwischen den Ionen.

  • Atombindung (homöopolare oder kovalente Bindung): Gemeinsame (Valenz-)Elektronenpaare zwischen nächsten Nachbarn; gerichtete Bindung mit räumlicher Lokalisierung der bindenden Elektronenpaare.

  • Metallische Bindung: Gemeinsame Valenzelektronen aller beteiligten Atome (Elektronengas); ungerichtete Bindung zwischen dem Elektronengas und den positiv geladenen Atomrümpfen.

  • Van-der-Waals-Bindung: Interne Ladungspolarisation (Dipolbildung) benachbarter Atome oder Moleküle; schwache elektrostatische Dipoladsorptionsbindung.

Aus der Bindungsart und den Atomabständen (bzw. den Molekülformen) der Elementarbausteine ergeben sich die elementaren Kristallstrukturen fester Stoffe. Die atomaren Bestandteile von Kristallen sind wie die Knoten eines räumlichen Punktgitters (Raumgitters) angeordnet, das entsteht, wenn drei Scharen paralleler Ebenen (Netzebenen) sich kreuzend durchdringen. Das kleinste Raumelement, durch dessen wiederholte Verschiebung um die jeweilige Kantenlänge in jeder der drei Achsrichtungen man sich ein Raumgitter aufgebaut denken kann, wird als Elementarzelle bezeichnet. Die möglichen Raumgitter der Kristalle werden durch 7 Kristallsysteme bzw. 14 Bravais-Gittertypen gekennzeichnet, siehe Abb. 3.
Abb. 3

Die 7 Kristallsysteme und die 14 Bravais-Gitter

Die Lage eines Atoms in der Elementarzelle eines Kristalls wird durch den Ortsvektor
$$ \boldsymbol{r}=x\boldsymbol{a}+y\boldsymbol{b}+z\boldsymbol{c}\, \left(0\le x,y,z<1\right) $$
beschrieben, wobei a, b, c die Einheitsvektoren auf den drei kristallographischen Achsen a, b, c eines Kristallgitters und x, y, z die Koordinaten des Atoms darstellen. Ein Gitterpunkt mit den Koordinaten uvw wird gefunden, indem vom Koordinatenursprung aus der Vektor ua in a-Richtung, vb in b-Richtung und wc in c-Richtung zurückgelegt wird. Mit der Verbindungsgeraden vom Koordinatenursprung zum Gitterpunkt uvw kann auch eine Richtung im Gitter beschrieben werden: [uvw]. Damit ist gleichzeitig auch eine Fläche charakterisiert, nämlich diejenige Fläche, deren Flächennormale die Richtung vom Koordinatenursprung zum Punkt uvw hat. Zur Bezeichnung einer Kristallfläche oder einer Schar von parallelen Gitterebenen dienen Miller’sche Indizes: die durch Multiplikation mit dem Hauptnenner ganzzahlig gemachten reziproken Achsabschnitte der betreffenden Fläche. In Abb. 4 ist die Koordinatenschreibweise am Beispiel eines kubischen Gitters illustriert.
Abb. 4

Indizierung von Richtungen und Ebenen in einem kubischen Gitter

Während ideale Kristalle durch eine regelmäßige Anordnung ihrer Elementarbausteine gekennzeichnet sind (Fernordnung), besteht bei amorphen Festkörpern nur eine strukturelle Nahordnung im Bereich der nächsten Nachbaratome. Sie ähneln Schmelzen und werden daher auch als Gläser, d. h. als unterkühlte, in den festen Zustand eingefrorene Flüssigkeiten bezeichnet.

Als einphasige Festkörper werden feste Stoffe mit einheitlicher chemischer Zusammensetzung und atomarer Struktur bezeichnet. Die unterschiedlichen Zustände mehrphasiger Festkörper werden – in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung und der Temperatur – durch Zustandsdiagramme beschrieben (s. Abschn. 2.7).

2.2 Mikrostruktur

Der mikrostrukturelle Aufbau technischer Werkstoffe unterscheidet sich von der idealer Festkörper durch Gitterbaufehler, die für die Werkstoffeigenschaften von grundlegender Bedeutung sind. Nach ihrer Geometrie ist folgende Klassifizierung üblich:
  1. a)

    Nulldimensionale Gitterbaufehler (Punktfehler), siehe Abb. 5:

    Es werden neben der Substitution von Gitteratomen durch Fremdatome die folgenden Grundformen unterschieden:
    • Leerstellen: Jeder Kristall enthält eine mit der Gittertemperatur zunehmende Anzahl von Leerstellen. Der Anteil der Leerstellen bezogen auf die Zahl der Gitterbausteine in einem fehlerfreien Kristall beträgt bei Raumtemperatur ca. 10−12. Die Bildungsenergie für Leerstellen ist in Metallen etwa der Verdampfungsenthalpie proportional. Durch Punktfehler in Kristallen mit Ionenbindung entsteht im Gitter örtlich eine positive oder negative Polarisation.

    • Zwischengitteratome: In zahlreichen Kristallgittern können, besonders kleine, Gitteratome, wie z. B. H, C, N, auf Zwischengitterplätze abwandern. Die Kombination einer Leerstelle mit einem entsprechenden Zwischengitteratom heißt Frenkel-Paar oder Frenkel-Defekt.

     
  2. b)

    Eindimensionale Gitterbaufehler (Linienfehler), siehe Abb. 6:

    Eindimensionale Gitterbaufehler stellen eine linienförmige Störung des Gitters dar und werden als Versetzungen bezeichnet. Eine Versetzung lässt sich als Randlinie eines zusätzlich in das Gitter eingefügten (oder aus ihm herausgenommenen) Ebenenstückes A–B darstellen. Das Maß für die Größe der Verzerrung eines Kristallgitters durch eine Versetzung ist der Burgers-Vektor b. Bei einer Stufenversetzung liegen Burgers-Vektor und Versetzungslinie rechtwinklig, bei einer Schraubenversetzung parallel zueinander. Eine Versetzungslinie muss im Gitter stets in sich geschlossen sein oder an einer Grenzfläche oder Oberfläche enden. Versetzungen ermöglichen den energetisch günstigen Elementarschritt der plastischen Deformation, bei dem durch eine Schubspannung τ ein Gitterblock gegenüber einem anderen stufenweise um den Betrag des Burgers-Vektors verschoben wird. Die Abgleitung erfolgt bei reinen Metallen längs bestimmter kristallographischer Ebenen (Gleitebenen) in definierten Gleitrichtungen. Das aus Gleitebene und Gleitrichtung bestehende Gleitsystem ist für Gittertyp und Bindungsart charakteristisch (siehe Abschn. 2.1.3 in Kap. „Anforderungen, Eigenschaften und Verhalten von Werkstoffen“).

     
  3. c)

    Zweidimensionale Gitterbaufehler (Flächenfehler):

    Zweidimensionale Gitterbaufehler kennzeichnen diskontinuierliche Änderungen der Gitterorientierung oder der Gitterabstände. Man unterscheidet:
    • Stapelfehler: Das sind Störungen der Stapelfolge von Gitterebenen. Sie erschweren die Versetzungsbewegung und beeinflussen die Verfestigung der Metalle bei plastischer Verformung.

    • Korngrenzen: Grenzflächen zwischen Kristalliten gleicher Phase mit unterschiedlicher Gitterorientierung. Sie sind Übergangszonen mit gestörtem Gitteraufbau. Nach der Größe des Orientierungsunterschieds benachbarter Kristallite unterscheidet man Kleinwinkelkorngrenzen (aufgebaut aus flächig angeordneten Versetzungen) und Großwinkelkorngrenzen mit (amorphen) Grenzbereichen von etwa zwei bis drei Atomabständen.

    • Phasengrenzen: Grenzflächen zwischen Gitterbereichen mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung oder Gitterstruktur.

     
Abb. 5

Nulldimensionale Gitterbaufehler (Punktfehler)

Abb. 6

Eindimensionale Gitterbaufehler: a Stufenversetzung in einem kubischen Kristall, b Versetzungsbewegung (Abgleitung) unter Schubspannung, c Resultierende Gleitstufe; b Burgers-Vektor

Als Gefüge eines Werkstoffs bezeichnet man den kennzeichnenden mikroskopischen Verbund der Kristallite (Körner), Phasen und Gitterbaufehler. Mittlerer Korndurchmesser (beeinflussbar durch Wärmebehandlung und Umformung): wenige μm bis mehrere cm. Ein- oder mehrphasige Polykristalle mit einem Kristallitdurchmesser zwischen 5 nm und 15 nm und etwa gleichen Atomanteilen in Kristalliten und Grenzflächen werden als nanokristalline Materialien bezeichnet. Sie können nach der herkömmlichen Terminologie weder den Kristallen (ferngeordnet) noch den Gläsern (nahgeordnet) zugerechnet werden.

Liegen die Kristallite in regelloser Verteilung im Polykristall vor, zeigt ein Werkstoff makroskopisch isotrope Eigenschaften, d. h. die Eigenschaften sind in alle Richtungen gleich. Dies ist aber nicht immer der Fall. Bei der Erstarrung wachsen die Kristalle häufig gerichtet, bei der Umformung (z. B. Walzen, Ziehen, Strangpressen) bilden sich ebenfalls bevorzugte Kristallorientierungen aus. Die makroskopischen Eigenschaften können dann anisotrop (d. h. richtungsabhängig) sein. Man spricht dann von Textur. Zur Beschreibung der Textur werden röntgenographische Texturmessungen durchgeführt, deren Ergebnis sogenannte Polfiguren und Orientierungs-Verteilungs-Funktionen darstellen.

2.3 Werkstoffoberflächen

Gegenüber dem Werkstoffinneren weisen Oberflächen folgende Unterschiede auf:
  • veränderte Mikrostruktur;

  • Veränderung der Oberflächenzusammensetzung durch Einbau von Bestandteilen des Umgebungsmediums (Physisorption, Chemisorption, Oxidation, Deckfilmbildung);

  • Änderung von Werkstoffeigenschaften.

Bei technischen Oberflächen ist außerdem noch der Einfluss der Fertigung zu beachten. Spanend bearbeitete und umgeformte Oberflächen zeigen in der Oberflächenzone folgende Veränderungen:
  • unterschiedliche Verfestigung durch plastische Verformungen,

  • Aufbau von Eigenspannungen infolge Oberflächenverformung,

  • Ausbildung von Texturinhomogenitäten zwischen Randzone und Werkstoffinnerem.

Der Schichtaufbau technischer Oberflächen ist in Abb. 7 wiedergegeben (Schmalz 1936). Die innere Grenzschicht besteht aus einer an den Grundwerkstoff anschließenden Verformungs- oder Verfestigungszone. Die äußere Grenzschicht besitzt meist eine vom Grundwerkstoff abweichende Zusammensetzung und besteht aus Oxidschicht, Adsorptionsschicht und Verunreinigungen.
Abb. 7

Werkstoffoberflächen-Schichtaufbau: schematische Darstellung des Querschnitts einer Metalloberfläche

Die Mikrogeometrie von Oberflächen (Oberflächenrauheit) wird durch verschiedene „Rauheitskenngrößen“ gekennzeichnet (siehe Abschn. 1.3.2 in Kap. „Materialprüfung“).

2.4 Werkstoffgruppen

Nach der dominierenden Bindungsart und der Mikrostruktur lassen sich die folgenden hauptsächlichen Werkstoffgruppen unterscheiden, siehe Abb. 8.
Abb. 8

Klassifikation der Werkstoffgruppen

Metalle

Die Atomrümpfe werden durch das Elektronengas zusammengehalten. Die freien Valenzelektronen des Elektronengases sind die Ursache für die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie den Glanz der Metalle. Die metallische Bindung – als Wechselwirkung zwischen der Gesamtheit der Atomrümpfe und dem Elektronengas – wird durch eine Verschiebung der Atomrümpfe nicht wesentlich beeinflusst. Hierauf beruht die gute Verformbarkeit der Metalle. Die Metalle bilden die wichtigste Gruppe der Konstruktions- oder Strukturwerkstoffe, bei denen es vor allem auf die mechanischen Eigenschaften ankommt.

Halbleiter

Eine Übergangsstellung zwischen den Metallen und den anorganisch-nichtmetallischen Stoffen nehmen die Halbleiter ein. Ihre wichtigsten Vertreter sind die Elemente Silicium und Germanium mit kovalenter Bindung und Diamantstruktur sowie die ähnlich strukturierten sog. III-V-Verbindungen, wie z. B. Galliumarsenid (GaAs) und Indiumantimonid (InSb). In den am absoluten Nullpunkt nichtleitenden Halbleitern können durch thermische Energie oder durch Dotierung mit Fremdatomen einzelne Bindungselektronen freigesetzt werden und als Leitungselektronen zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen. Halbleiter stellen wichtige Funktionswerkstoffe für die Elektronik dar.

Anorganisch-nichtmetallische Stoffe

Die Atome werden durch kovalente Bindung und Ionenbindung zusammengehalten. Aufgrund fehlender freier Valenzelektronen sind sie grundsätzlich schlechte Leiter für Elektrizität und Wärme. Da die Bindungsenergien erheblich höher sind als bei der metallischen Bindung, zeichnen sich anorganisch-nichtmetallische Stoffe, wie z. B. Keramik, durch hohe Härten und Schmelztemperaturen aus. Eine plastische Verformung wie bei Metallen ist analog nicht begründbar, da bereits bei der Verschiebung der atomaren Bestandteile um einen Gitterabstand theoretisch eine Kation-Anion-Bindung in eine Kation-Kation- oder Anion-Anion-Abstoßung umgewandelt oder eine gerichtete kovalente Bindung aufgebrochen werden muss.

Organische Stoffe

Organische Stoffe, deren technisch wichtigste Vertreter die Polymerwerkstoffe sind, bestehen aus Makromolekülen, die im Allgemeinen Kohlenstoff in kovalenter Bindung mit sich selbst und einigen Elementen niedriger Ordnungszahl enthalten. Deren Kettenmoleküle sind untereinander durch (schwache) zwischenmolekulare Bindungen verknüpft, woraus niedrige Schmelztemperaturen resultieren (Thermoplaste). Sie können auch chemisch miteinander vernetzt sein und sind dann unlöslich und unschmelzbar (Elastomere, Duroplaste).

Naturstoffe

Bei den als Werkstoff verwendeten Naturstoffen wird unterschieden zwischen mineralischen Naturstoffen (z. B. Marmor, Granit, Sandstein; Glimmer, Saphir, Rubin, Diamant) und organischen Naturstoffen (z. B. Holz, Kautschuk, Naturfasern). Die Eigenschaften vieler mineralischer Naturstoffe, z. B. hohe Härte und gute chemische Beständigkeit, werden geprägt durch starke Hauptvalenzbindungen und stabile Kristallgitterstrukturen. Die organischen Naturstoffe weisen meist komplexe Strukturen mit richtungsabhängigen Eigenschaften auf.

Verbundwerkstoffe, Werkstoffverbunde

Verbundwerkstoffe werden mit dem Ziel, Struktur- oder Funktionswerkstoffe mit besonderen Eigenschaften zu erhalten, als Kombination mehrerer Phasen oder Werkstoffkomponenten in bestimmter geometrisch abgrenzbarer Form aufgebaut, z. B. in Form von Dispersionen oder Faserverbundwerkstoffen. Werkstoffverbunde vereinen unterschiedliche Werkstoffe mit verschiedenen Aufgaben, z. B. bei Email.

2.5 Mischkristalle und Phasengemische

Strukturwerkstoffe bestehen eigentlich nie aus nur einer Atomart, da reine Stoffe keine ausreichenden mechanischen Eigenschaften für technische Anwendungen aufweisen. Daher werden Atome einer anderen Art zugefügt (Legieren). Wenn es gelingt, diese in der festen Phase zu lösen, dann spricht man von Mischkristallen. In idealen Mischkristallen sind die zugefügten Atome stochastisch verteilt (Abb. 9a). Die Fremdatome ersetzen entweder die Atome auf den Gitterplätzen oder sie nehmen Zwischengitterplätze ein (Abb. 5).
Abb. 9

a Regellose Verteilung der Legierungsatome. b In einer Ordnungsstruktur nehmen beide Atomarten bestimmte Gitterplätze ein. c Entmischung beider Atomarten

Die Mischbarkeit von Kristallen ist gewöhnlich begrenzt, sie ist bei hoher Temperatur größer als bei niedriger Temperatur. Voraussetzung für eine vollständige Mischbarkeit von Kristallen ist die gleiche Kristallstruktur beider Komponenten. Unterscheiden sich die Gitterkonstanten oder Atomradien um mehr als 15 %, so ist die Mischbarkeit meist begrenzt. Ein Sonderfall sind interstitielle Atome, die sehr klein sind und in Gitterlücken eingebaut werden. Ein bestimmtes Verhältnis der Atomradien darf dabei allerdings nicht überschritten werden. Chemische Voraussetzungen bestimmen ebenfalls die Löslichkeit, denn die äußeren Elektronen beider Atomarten treten in Wechselwirkung miteinander.

Die Zusammensetzung der Mischphasen wird als Stoffmengengehalt x (in Atomprozent oder Molprozent) oder als Massegehalt c (in Gewichtsprozent) angegeben. Letzterer hat den Vorteil, dass er direkt mit der Einwaage der Elemente in Zusammenhang steht. Folgende Beziehungen erlauben die Umrechnung:
$$ {c}_{\mathrm{A}}=\frac{x_{\mathrm{A}}\cdot {A}_{\mathrm{A}}\cdot 100}{x_{\mathrm{A}}\cdot {A}_{\mathrm{A}}+{x}_{\mathrm{B}}\cdot {A}_{\mathrm{B}}}=\frac{m_{\mathrm{A}}}{m_{\mathrm{A}}+{m}_{\mathrm{B}}}\cdot 100\, \left[\mathrm{Gew}.\%\right] $$
(1)
$$ {x}_{\mathrm{A}}=\frac{\frac{c_{\mathrm{A}}}{A_{\mathrm{A}}}\cdot 100}{\frac{c_{\mathrm{A}}}{A_{\mathrm{A}}}+\frac{c_{\mathrm{B}}}{A_{\mathrm{B}}}}=\frac{n_{\mathrm{A}}}{n_{\mathrm{A}}+{n}_{\mathrm{B}}}\cdot 100\, \left[\mathrm{Atom}.\%\right] $$
(2)
Die Umrechnung von Massegehalt in Volumengehalt erfolgt mit:
$$ {V}_{\mathrm{A}}=\frac{100}{1+\frac{c_{\mathrm{B}}{\rho}_{\mathrm{A}}}{c_{\mathrm{A}}{\rho}_{\mathrm{B}}}}=\frac{100}{1+\frac{x_{\mathrm{B}}{A}_{\mathrm{B}}}{\rho_{\mathrm{B}}}\frac{\rho_{\mathrm{A}}}{x_{\mathrm{A}}{A}_{\mathrm{A}}}}\, \left[\mathrm{Vol}.\%\right] $$
(3)
AA und AB sind die Atomgewichte, mA und mB entsprechen der Masse und nA und nB der Anzahl der Atome. ϱA und ϱB sind die Dichten der Komponenten A und B. Für die Masse gilt mA = nAAA bzw. mB = nBAB und xA = nA/(nA + nB). Es gilt immer, dass
$$ \sum \limits_{n=1}^i{x}_n=100\% $$
(4)
ist. Die Anzahl der Elemente ist i. Häufig werden diese Gehalte nicht in Prozent, sondern in Bruchteile von 1 angegeben.

In realen Mischkristallen sind die gelösten Atome nicht immer stochastisch verteilt. Wenn sich die beiden Atomarten anziehen, besteht eine Neigung zur Bildung einer chemischen Verbindung. Ist die Anziehung sehr groß, so bilden sich Ordnungsstrukturen (Abb. 9b). Ist die Anziehung zwischen gleichen Nachbarn groß, so gibt es eine Tendenz zur Trennung in A-reiche und B-reiche Bereiche. Dieser Vorgang wird als Entmischung bezeichnet (Abb. 9c).

Oftmals sind Werkstoffe nicht nur aus einer Kristallart, sondern aus zwei oder mehr Kristallarten zusammengesetzt. Bereiche mit konstanter Atomstruktur und chemischer Zusammensetzung werden als Phase bezeichnet. Die Grenze zwischen zwei Phasen wird als Phasengrenze bezeichnet. Diese kann zwischen zwei verschiedenen Kristallarten verlaufen, aber auch zwischen einem Glas und einem Kristall (z. B. in Keramiken und Kunststoffen). Technische Werkstoffe bestehen vornehmlich aus Phasengemischen. Beispiele dafür sind Stahl, aushärtbare Aluminiumlegierungen, Verbundwerkstoffe.

2.6 Gleichgewichte

Analog zum mechanischen Gleichgewicht wird auch in der Thermodynamik nach labilen, metastabilen und stabilen Gleichgewichten unterschieden. Im stabilen Gleichgewicht weist die Energie ein Minimum auf, während im metastabilen Gleichgewicht die Energie nach Aktivierung noch weiter erniedrigt werden kann. Im labilen Gleichgewicht genügen hingegen kleinste Schwankungen zur Erniedrigung der Energie. Das thermodynamische Gleichgewicht umfasst das mechanische, thermische (kein Temperaturgradient) und chemische (keine chemische Reaktion) Gleichgewicht. Befindet sich ein Stoff im thermodynamischen Gleichgewicht, so ändert sich sein Druck, seine Temperatur, sein Volumen und seine Zusammensetzung mit der Zeit nicht mehr. In diesem Zustand weist die Freie Energie bzw. die Freie Enthalpie ihr Minimum auf.

Häufig sind Werkstoffe im Zustand ihrer Anwendung nicht im thermodynamischen Gleichgewicht. Dies hat zur Folge, dass sie während ihres Einsatzes eine Tendenz zeigen, ihren Zustand z. B. durch Kristallisation oder Entmischung oder Bildung einer chemischen Verbindung zu ändern, wenn man ihnen Gelegenheit dazu gibt. Dies ist in der Regel mit einer Änderung ihrer Eigenschaften (Festigkeit, Härte) verbunden. Mischphasen und Phasengemische, die sich im Gleichgewicht befinden, bleiben jedoch unverändert. Folglich sind Kenntnisse über Gleichgewichte und Ungleichgewichte sehr nützlich sowohl für die Herstellung von Werkstoffen als auch zur Einschätzung ihres Verhaltens im Einsatz. Es wird zwischen homogenen und heterogenen Gleichgewichten unterschieden. Letztere betreffen Stoffe mit mehr als einer Phase.

Jedem Stoff kann in seinem vorliegenden Zustand eine charakteristische freie Enthalpie G = H − TS zugeschrieben werden. H bezeichnet die Enthalpie, S die Entropie und T die Temperatur. Die Änderung der freien Enthalpie dG = dH − TdS, die eine Zustandsänderung begleitet, stellt die treibende Kraft für diesen Prozess dar. Alle spontan ablaufenden Zustandsänderungen müssen mit einer Erniedrigung der gesamten freien Enthalpie des Systems verbunden sein, d. h. ΔG muss negativ sein. Im Gleichgewichtszustand, in dem keine treibende Kraft für eine Zustandsänderung vorhanden ist, muss folglich ΔG = 0 gelten. Jede Phase in einem System, ob stabil oder instabil, besitzt ihre Funktion G(T). Dies sei am Beispiel der technisch bedeutenden Umwandlung des (reinen) Eisens verdeutlicht (Abb. 10a). Bei tiefer Temperatur ist das krz α-Eisen stabil, oberhalb von 911 °C ( = Tαγ) jedoch das kfz γ-Eisen. Bei 1392 °C ( = Tγδ) tritt eine weitere Umwandlung in das ebenfalls krz δ-Eisen ein und bei 1536 °C ( = TδL) beginnt das Eisen zu schmelzen. Die γ → α Umwandlung tritt bei T < 911 °C ein, da dann Gα < Gγ und daher eine treibende Kraft für die Umwandlung vorhanden ist (Abb. 10b). Diese Umwandlung ist entscheidende Voraussetzung für die Stahlhärtung (siehe Abschn. 1.3 in Kap. „Die Werkstoffklassen“).
Abb. 10

a Zustandsdiagramm des reinen Eisens mit zwei Phasenumwandlungen (α → γ und γ → δ) im festen Zustand. b Freies Enthalpie-Temperatur-Diagramm für Eisen mit γ → α-Umwandlung bei 911 °C und Gγ = Gα

Ähnliche Überlegungen können für Mehrstoffsysteme angestellt werden. Für die Betrachtung eines Zweistoffsystems wird ein zweidimensionales Temperatur-Konzentrations-Diagramm benötigt. Abb. 11a zeigt einen Mischkristall γ, der sich bei tiefen Temperaturen in einen α-Kristall (reich an A) und einen β-Kristall (reich an B) entmischt: das System weist eine Mischungslücke auf. Die isothermen G(x)-Kurven sind ebenfalls in Abb. 11 für 3 verschiedene Temperaturen T1 bis T3 gezeigt. Die Konzentration der Phasen, die sich bei einer bestimmten Temperatur im Gleichgewicht befinden, wird durch die gemeinsame Tangente an die G(x)-Kurve ermittelt.
Abb. 11

a Zustandsdiagramm eines Zweistoffsystems mit Mischungslücke. Der Mischkristall γ entmischt sich in α- und β-Kristalle. Der stabile Zustand ist der mit der niedrigsten freien Enthalpie: b bei T3 und c T2: Phasengemische aus α- und β-Kristallen mit bestimmten Zusammensetzungen. d Bei T1 ist die Mischphase γ stabil

2.7 Zustandsdiagramme

Phasendiagramme erweisen sich bei der Interpretation metallischer oder keramischer Gefüge als sehr nützlich. Sie zeigen auf, welche Phasen vermutlich vorliegen und geben Daten zu ihrer chemischen Zusammensetzung. Leider geben Phasendiagramme keine Hinweise darauf, in welcher Form und Verteilung die Phasen vorliegen, ob sie sich z. B. lamellar, globular oder intergranular ausbilden. Dies ist aber für die mechanischen Eigenschaften entscheidend. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass Zustands diagramme lediglich Gleichgewichtszustände repräsentieren, die sich nur bei langsamer Abkühlung bzw. Aufheizung einstellen. Abschrecken, also schnelles Abkühlen, wie es z. B. für die Härtung von Stählen erforderlich ist, erzeugt metastabile Zustände, die in Zustandsdiagrammen nicht dargestellt werden. Auch in diesem Fall gibt aber das Zustandsdiagramm darüber Auskunft, welchen Zustand ein Stoff im Gleichgewicht anstrebt.

Zustandsdiagramme geben z. B. an, bei welcher Zusammensetzung die höchste oder geringste Schmelztemperatur vorliegt; die Anzahl von Phasen und deren Volumenanteile bei einer bestimmten Zusammensetzung; die günstigste Zusammensetzung einer ausscheidungshärtbaren Legierung; die Temperatur, bis zu der aufgeheizt werden darf, ohne dass eine Umwandlung in eine andere Kristallstruktur oder Auflösung oder Entmischung eintritt.

Die Gibbs’sche Phasenregel gibt den Zusammenhang zwischen der Anzahl der Phasen P eines Systems mit K Komponenten und dem äußeren Druck sowie Temperatur und der chemischen Zusammensetzung an. Die Freiheitsgrade F des Systems ergeben sich zu:
$$ F=K-P+2 $$
(5)
In der Praxis ist der Druck meist konstant, sodass sich die Zahl der Freiheitsgrade um 1 reduziert:
$$ F=K-P+1 $$
(6)

Wenden wir dies auf das System mit der Mischungslücke (Abb. 11) an, so erhalten wir K = 2 (Komponenten A und B), P = 1 im Gebiet des homogenen Mischkristalls γ, P = 2 im heterogenen Gebiet (α + β). Somit ergibt sich F = 2 im homogenen und F = 1 im heterogenen Gebiet. Dies bedeutet, dass im homogenen Gebiet die Freiheitsgrade Temperatur und Konzentration geändert werden können, ohne dass eine Zustandsänderung eintritt. Im Zweiphasengebiet (α + β) existiert jedoch nur ein Freiheitsgrad, d. h. bei Temperaturänderung ändert sich notwendigerweise auch die Zusammensetzung und umgekehrt.

Es gibt vielfältige Ausbildungen von Zustandsdiagrammen. Im Folgenden werden einige wichtige binäre Grundtypen vorgestellt. Kompliziertere Systeme setzen sich aus diesen zusammen (Abb. 12).
Abb. 12

Grundtypen einiger wichtiger binärer Zustandsdiagramme. a Nahezu vollständige Unmischbarkeit im flüssigen (L) und festen (S) Zustand. Beispiel: Fe-Mg, Fe-Pb. b Vollständige Mischbarkeit im flüssigen und festen Zustand. xL = Konzentration der Schmelze, xS = Konzentration des Kristalls beim Erstarren. Beispiel: Cu-Au. c Eutektisches System mit vollständiger Mischbarkeit im flüssigen und begrenzter Mischbarkeit im festen Zustand. Beispiel: Al-Si. d Peritektisches System vollständiger Mischbarkeit im flüssigen und begrenzter Mischbarkeit im festen Zustand. Niedrig schmelzende Komponente A und hoch schmelzende Komponente B. Beispiel: Cu-Zn (Messing). e Verbindung V bildet mit den Elementen A und B eutektische Teilsysteme. f Verbindung V mit stöchiometrischer Zusammensetzung AxBy, zersetzt sich beim Schmelzen in L + B

  • (Fast) völlige Unmischbarkeit der Komponenten A und B im flüssigen und festen Zustand (Abb. 12a): Es gibt im Diagramm lediglich horizontale Linien bei den Schmelz- und Siedetemperaturen. Mischbarkeit liegt erst im Gaszustand vor. Stoffe, die nicht miteinander reagieren dürfen, sollten dieses Zustandsdiagramm besitzen. Beispiel: Schmelzen von Blei in Eisentiegeln.

  • Völlige Mischbarkeit im festen und flüssigen Zustand (Abb. 12b): Die jeweiligen reinen Komponenten A und B besitzen einen Schmelzpunkt, die Gemische jedoch ein Schmelzintervall. Beim Abkühlen einer Schmelze mit der Konzentration x bildet sich zuerst ein Kristall der Zusammensetzung xS. Bei weiterer Abkühlung ändert sich diese bis zu x. Parallel dazu ändert sich die Zusammensetzung der Schmelze von x nach xL. Beispiele für Mischkristallsysteme sind Al-Mg-Legierungen und α-Messing.

  • Vollständige Mischbarkeit im flüssigen Zustand bei begrenzter Mischbarkeit im festen Zustand: Die Komponenten A und B weisen ähnliche Schmelztemperatur auf. Zumischen von B in A (sowie A in B) erniedrigt den Schmelzpunkt (Abb. 12c). Der Schnittpunkt der beiden Löslichkeitslinien flüssig → kristallin ist der eutektische Punkt. Bei dieser Temperatur sind drei Phasen im Gleichgewicht, nämlich die Mischkristalle α und β sowie die Schmelze. Beim Abkühlen einer Schmelze mit Zusammensetzung xE tritt bei TE die Reaktion L → α + β ein, wobei sich α und β gleichzeitig bilden. Gusslegierungen sind häufig eutektische Systeme, da ihre Schmelztemperatur niedrig und die Gefügeausbildung fein ist. Beispiele sind Al-Si-Gusslegierungen sowie Gusseisen, aber auch Lote. Sind die Schmelztemperaturen der beiden Komponenten sehr verschieden, so kann sich ein Dreiphasengleichgewicht einstellen, das als peritektisches System bezeichnet wird (Abb. 12d). Beim Abkühlen aus der Schmelze entsteht zuerst ein Mischkristall entsprechend dem Zweiphasengleichgewicht L + β. Bei TP tritt die Reaktion L + β = α ein, bei der α-Mischkristalle gebildet werden. Beispiele dafür sind Mischkristalle in Messing- und Bronzelegierungen.

  • Bildung einer Verbindung: Die Komponenten A und B reagieren miteinander und bilden eine neue Phase V mit der Zusammensetzung AxBy (Abb. 12e). Diese hat eine andere Kristallstruktur als die Komponenten A und B. Manchmal besitzt die Verbindung ein definiertes stöchiometrisches Verhältnis von A und B und erscheint als vertikale Linie im Diagramm (Abb. 12f). Häufig existiert sie aber über einen gewissen Bereich der Zusammensetzung, sodass der Begriff Verbindung dann nicht ganz korrekt ist. Der Schmelzpunkt der Phase V kann höher oder niedriger sein als der der Komponenten. Dies gibt erste Hinweise auf die Stabilität der Verbindung. Weist die Verbindung nur eine geringe Mischbarkeit mit A und B auf, so ergibt sich ein einfaches Zustandsdiagramm, das sich auf A + AxBy sowie AxBy + B zurückführen lässt. Ein Beispiel für ein solches Zustandsdiagramm findet sich im System Mg-Si mit der Verbindung Mg2Si. Häufig sind Verbindungen hart und spröde und weisen eine komplexe Kristallstruktur auf (z. B. Fe3C, Al2Cu).

Systeme mit drei und mehr Komponenten können ebenfalls dargestellt werden. Dies erfordert jedoch eine räumliche Darstellung, auf die hier nicht weiter eingegangen werden soll. Zusammenfassende Darstellungen binärer und ternärer Zustandsdiagramme lassen sich in der Literatur z. B. in (Massalski und Okamoto 1990; Villars et al. 1995; Effenberg und Ilyenko 2008) finden.

Abschließend bleibt die Frage zu beantworten, wie die sich bildenden Mengenanteile für eine bestimmte Zusammensetzung c ermittelt werden kann. Hierzu wendet man die Hebelregel an, was im Folgenden mit Abb. 13 erläutert werden soll. Man denke sich bei einer bestimmten Temperatur im Zweiphasengebiet einen zweiarmigen Hebel mit Drehpunkt bei c und den Gewichten mL (Schmelze) und mS (Kristall). Dann ergeben sich die Mengenanteile zu:
Abb. 13

Bestimmung der Mengenanteile von Schmelze und Mischkristall aus dem Zustandsdiagramm mit Hilfe der Hebelregel

$$ {m}_{\mathrm{L}}\cdot \left(c-{c}_{\mathrm{L}}\right)={m}_{\mathrm{S}}\cdot \left({c}_{\mathrm{S}}-c\right) $$
(7)

Anschaulich ausgedrückt: kurzer Hebelarm in Richtung A bedeutet viel Schmelze, langer Hebelarm in Richtung B bedeutet wenig Kristall. Die Hebelregel kann immer im Zweiphasengebiet angewendet werden, also auch um z. B. die Menge an α- und β-Mischkristall im Gebiet (α + β) zu bestimmen (vgl. Abb. 12).

2.8 Diffusionsprozesse

Diffusionsvorgänge sind in der Werkstofftechnik von großer Bedeutung, denn sie kontrollieren z. B. die Wärmebehandlung, Phasenumwandlungen, Hochtemperaturkorrosionsprozesse, Erholung und Rekristallisation und die Hochtemperaturverformung. Der Begriff Diffusion beschreibt thermisch aktivierte Stofftransportvorgänge, die mit der Wanderung einzelner Atome verbunden ist. Diffusion kann in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern stattfinden. Im Folgenden wird die Diffusion in Festkörpern beschrieben (siehe auch Mehrer 2007). Dafür gibt es verschiedene Mechanismen. Zwischengitteratome besitzen eine geringe Löslichkeit, daher stehen ihnen meistens alle benachbarten Zwischengitterplätze frei. Die Diffusion von Zwischengitteratomen tritt häufig in Legierungen auf, die H, C oder N enthalten, z. B. Diffusion von Kohlenstoff im Stahl. Gitteratome (Selbstdiffusion) und Substitutionsatome (Fremddiffusion) benötigen für Platzwechsel Leerstellen, deren Konzentration ist erheblich geringer. Daher hängen diese Prozesse von der Leerstellenkonzentration und deren Temperaturabhängigkeit ab. Leerstellen liegen immer auch im Gleichgewicht vor, im Ungleichgewicht (z. B. nach Abschrecken von hoher Temperatur, nach plastischer Verformung) ist ihre Konzentration höher als im Gleichgewicht. Diffusionsprozesse machen sich bemerkbar bei Temperaturen, die etwa 0,3 bis 0,5-mal der Schmelztemperatur in Kelvin entsprechen.

Liegen verschiedene Atomarten vor und ist im Mischkristall oder in Phasengemischen ein Konzentrationsunterschied vorhanden, so streben Diffusionsvorgänge zur Einstellung der Gleichgewichtskonzentration. Dies wird durch das 1. Fick’sche Gesetz beschrieben:
$$ j=-D\left(\frac{c_1-{c}_2}{x_1-{x}_2}\right)=-D\left(\frac{\Delta c}{\Delta x}\right)=-D\, \frac{\partial c}{\partial x} $$
(8)
Über eine Entfernung Δx im Gitter besteht ein (negativer) Konzentrationsgradient ∂c/∂x, sodass sich aufgrund der Diffusion ein (positiver) Stofftransportstrom j einstellt. j beschreibt die transportierte Masse pro Flächen- und Zeiteinheit und ist dem Konzentrationsgradienten ∂c/∂x proportional. Das 2. Fick’sche Gesetz beschreibt die zeitlichen Konzentrationsänderungen:
$$ \frac{\partial c}{\partial t}=-\frac{\mathrm{d}j}{\mathrm{d}x}=D\frac{\partial^2c}{\partial {x}^2} $$
(9)
Die expliziten Lösungsformen des 2. Fick’schen Gesetzes hängen von den Anfangsbedingungen des jeweils betrachteten Diffusionsproblems ab und haben die Form c(x, t). Der Diffusionskoeffizient D ist ein Maß für die Beweglichkeit der diffundierenden Atome und wird durch den folgenden Zusammenhang beschrieben:
$$ D={D}_0\cdot \exp \left(-\frac{Q_{\mathrm{D}}}{RT}\right) $$
(10)
QD ist die Aktivierungsenergie für Diffusion und wird durch die Bildungs- und Wanderungsenergie der Leerstellen bestimmt. Die Temperaturabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten ist in Abb. 14 als Arrhenius-Diagramm dargestellt. Häufig genügt die Näherungsformel
Abb. 14

Temperaturabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten D für Kohlenstoff und Eisen (Selbstdiffusion) im Ferrit- und Austenitkristallgitter (unter Verwendung von Daten aus Mehrer 1990)

$$ \overline{x}=2\sqrt{Dt}, $$
(11)

um den mittleren Weg \( \overline{x} \) anzugeben, den ein Atom mit einem Diffusionskoeffizienten D(T) bei einer Temperatur T nach einer Zeit t zurückgelegt hat. Dies ermöglicht z. B. die Abschätzung, welche Zeit für den Konzentrationsausgleich einer Probe mit Konzentrationsunterschieden bei einer Glühung bei einer konstanten Temperatur erforderlich ist.

Die vorangegangenen Beschreibungen (Volumendiffusion) setzten voraus, dass abgesehen von den Leerstellen keine Gitterbaufehler vorliegen. Im realen Gitter sind aber Versetzungen, Korngrenzen und freie Oberflächen vorhanden, die die Diffusion beeinflussen, denn sie sind Pfade bevorzugter Diffusion (Versetzungsdiffusion, Korngrenzendiffusion). In der Umgebung dieser Defekte können sich die Atome einfacher bewegen und die Platzwechselhäufigkeit ist daher höher. Beispiele für die Folge dieser Prozesse sind das bevorzugte Wachstum von Ausscheidungen entlang von Versetzungen und Korngrenzen oder auch das Diffusionskriechen bei tieferen Temperaturen. Bei tiefen Temperaturen ist Diffusion über Gitterfehler sehr viel größer als die Volumendiffusion, während bei hoher Temperatur die Volumendiffusion schneller abläuft als über Gitterfehler.

2.9 Keimbildung von Phasenumwandlungen

Die Keimbildung als Startvorgang von Phasenumwandlungen ist für verschiedene Prozesse in der Werkstofftechnik von Bedeutung. Beispiele sind die Erstarrung beim Gießen (Übergang flüssig-fest) oder das Vergüten von Stahl (Übergang fest-fest). Keimbildung im flüssigen und festen Zustand kann analog behandelt werden. Bei der Keimbildung im flüssigen Zustand entfällt der Term für die Verzerrungsenergie. Im Folgenden wird die Keimbildung im festen Zustand beschrieben.

Unter der Annahme, dass sich Ausscheidungen (= Keime) im festen Zustand durch homogene Keimbildung bilden, kann die folgende Energiebilanz aufgestellt werden:
$$ \Delta G=V\Delta {g}_{\mathrm{V}}+ A\gamma +V\Delta {g}_s $$
(12)
ΔgV ist der Gewinn an freier Enthalpie pro Volumen gebildeter Ausscheidung (also ist ΔgV negativ), γ die aufzubringende Grenzflächenenergie durch die neu zu bildende Oberfläche der Ausscheidung und Δgs die aufzubringende Verzerrungsenergie, da das Teilchen aufgrund der Volumendifferenz nicht ganz genau in das Matrixgitter passt. Unter der Annahme kugelförmiger Keime ergibt sich:
$$ \Delta G=\frac{4}{3}\pi {r}^3\left(\Delta {g}_{\mathrm{V}}+\Delta {g}_s\right)+4\pi {r}^2\gamma $$
(13)
Die in (13) auftretenden Terme sind schematisch in Abb. 15 dargestellt. Durch die Umwandlung wird Energie gewonnen. Die frei werdende freie Enthalpie ist proportional r3. Die Kurve für ΔG hat ein Maximum bei ΔG und r. Nach Nullsetzen der ersten Ableitung von (13) erhält man den kritischen Teilchenradius:
Abb. 15

Schematische Darstellung der Energiebilanz für homogene Ausscheidung im festen Zustand

$$ {r}^{\ast }=-\frac{2\gamma }{\left(\Delta {g}_{\mathrm{V}}+\Delta {g}_s\right)} $$
(14)
Ist der Radius des Teilchens größer als r∗, so kann es wachsen. Wird diese Beziehung in (13) eingesetzt, so erhält man:
$$ \varDelta {G}^{\ast }=\frac{16\pi {\gamma}^3}{3{\left(\varDelta {g}_V+\varDelta {g}_S\right)}^2} $$
(15)

Die Keimbildungsrate N ist die Anzahl der Keime, die pro Zeit- und Volumeneinheit überkritisch werden. Sie ist proportional zur Oberfläche des Keims und zur Platzwechselhäufigkeit an der Oberfläche.

$$ N=C\;\exp \left(-\frac{Q}{kT}\right)\exp \left(-\frac{\Delta {G}^{\ast }}{k}T\right) $$
(16)

Dabei ist C die Anzahl der Keimbildungsorte pro Volumen, Q die Aktivierungsenergie für Diffusion, k die Bolzmann-Konstante und T die absolute Temperatur.

Ausscheidungen werden nach der Natur ihrer Grenzfläche unterschieden: kohärent ohne Verzerrung, kohärent mit Verzerrung, teilkohärent und inkohärent. Kohärente Ausscheidungen haben eine geringe Grenzflächenenergie (0 mJ m−2–200 mJ m−2), aber die Verzerrung kann groß sein. Teilkohärente Ausscheidungen haben eine höhere Grenzflächenenergie (200 mJ m−2–500 mJ m−2). Inkohärente Ausscheidungen besitzen die höchste Grenzflächenenergie (500 mJ m−2–1000 mJ m−2) aber keine Kohärenzspannungen.

Bei der heterogenen Keimbildung wirken Gitterdefekte als bevorzugte Keimbildungsorte, zum Beispiel (mit steigender Wirksamkeit):
  • homogene Orte

  • Leerstellen

  • Versetzungen

  • Korngrenzen und Phasengrenzen

  • freie Oberflächen.

2.10 Metastabile Zustände

In Abschn. 2.6 wurde das thermodynamische Gleichgewicht als Zustand niedrigster freier Enthalpie definiert. Häufig begegnen uns allerdings Zustände, die diese Voraussetzung nicht erfüllen und trotzdem für relativ lange Zeit stabil sind. Strukturwerkstoffe wie z. B. gehärteter Stahl, ausscheidungsgehärtete Aluminiumlegierungen oder Kunststoffe befinden sich während ihres Einsatzes im metastabilen Gleichgewicht. Diese Zustände treten auf, wenn die Keimbildung einer stabileren Phase aufgrund der dafür erforderlichen Aktivierungsenergie (z. B. aufgrund von hoher Grenzflächen- und Verzerrungsenergie) weniger wahrscheinlich ist. Dies ist z. B. in dem technisch wichtigen Kohlenstoffstahl der Fall. Eisen bildet ein stabiles Gleichgewicht mit Graphit. Das Carbid Fe3C ist weniger stabil, trotzdem bildet sich fast ausschließlich Carbid im Stahl, der auch nach langer Zeit nicht in Graphit umwandelt. Es gibt also im Zustandsdiagramm Fe-C ein stabiles System Eisen-Graphit und ein metastabiles System Fe-Fe3C, die häufig gemeinsam dargestellt werden. Die Gleichgewichtskonzentrationen und -temperaturen sind darin etwas verschieden.

Die Ausscheidungshärtbarkeit von Aluminiumlegierungen (s. Abschn. 2.12) basiert ebenfalls auf der Bildung verschiedener metastabiler Phasen. Sie treten in der Reihenfolge zunehmender Aktivierungsenergie auf.

Die Struktur stark verformter Metalle ist ebenfalls metastabil und kann durch Erholung und Rekristallisation (s. Abschn. 2.11) in einen Zustand geringerer Energie gelangen.

Die Tatsache, dass sich nahezu kein Strukturwerkstoff im thermodynamischen Gleichgewicht befindet, hat Folgen für die Stabilität von Gefügen, da diese sich mehr oder weniger stark mit den entsprechenden Konsequenzen für die Eigenschaften während des Einsatzes von Werkstoffen ändern kann (Martin et al. 1997).

2.11 Erholung und Rekristallisation

Erholungsprozesse erfordern thermisch aktivierte Prozesse, also Platzwechsel im Gitter bei Temperaturen, die dieses ermöglichen. Die Erholung plastisch verformter und verfestigter Kristalle besteht aus der Umordnung von Versetzungen durch Annihilation (Auslöschung von Versetzungen mit gegensätzlichem Vorzeichen, wenn diese auf verschiedenen Gleitebenen aufeinander zuklettern) oder durch Bildung von Kleinwinkelkorngrenzen, eine Anordnung, die niedrigere Energie besitzt als die homogene Verteilung von Versetzungen (Abb. 16). Die Versetzungsdichte wird dabei nur teilweise abgebaut. Bei Wechselwirkung der Versetzungen mit Leerstellen können die Versetzungen klettern, wobei die Leerstellen in den Bereich der Druckspannungen der Versetzung diffundiert und sich dort anlagert. Dadurch wandert ein Atom von der Versetzung fort und die Versetzungslinie wird normal zum Burgers-Vektor verschoben. Ein erholtes Gefüge ist durch ein Subkorngefüge mit Kleinwinkelkorngrenzen gekennzeichnet. Während des Erholungsprozesses nehmen innere Spannungen und die Streckgrenze ab. Während der Erholung bewegen sich die Korngrenzen nicht.
Abb. 16

Schematische Darstellung von Erholungs- und Rekristallisationsprozessen

Bei Temperaturen oberhalb von 0,5-mal der Schmelztemperatur (in Kelvin) tritt in stark verformten Metallen Rekristallisation ein. Dieser Begriff umfasst alle Prozesse, die mit Neubildung und Wachstum von weitgehend versetzungsfreien Körnern verbunden sind (Abb. 16). Treibende Kraft dafür ist die gesamte Versetzungsenergie, die in den durch die Verformung eingebrachten Versetzungen steckt. Die Neubildung kann durch Keimbildung und -wachstum bestimmt sein (diskontinuierliche Rekristallisation) oder durch Vergröberung der Subkörner des Erholungsgefüges, verbunden mit einer Zunahme des Orientierungsunterschieds (kontinuierliche Rekristallisation). Der auftretende Mechanismus hängt u. a. vom Werkstoff, von der Verformung, vom Temperatur-Zeit-Verlauf der Wärmebehandlung ab. Nach der Rekristallisation weist der Werkstoff Eigenschaften (Streckgrenze, Bruchdehnung, Härte) auf, wie sie auch für den unverformten Zustand vorliegen.

Für einen umfassenden Überblick über dieses Gebiet siehe (Rollett et al. 2017).

2.12 Ausscheidungs- und Umwandlungsprozesse

Voraussetzung für die Ausscheidungshärtung ist eine mit sinkender Temperatur abnehmende Löslichkeit im Mischkristall, wie es schematisch in Abb. 17a gezeigt ist. Ein wichtiges Beispiel dafür ist das System Aluminium-Kupfer, an dem die Aushärtbarkeit von Aluminiumlegierungen von Alfred Wilm 1906 entdeckt wurde. Zur Ausscheidungshärtung von Legierungen müssen folgende Schritte eingeleitet werden (Abb. 17b):
Abb. 17

a Voraussetzung für eine Ausscheidungshärtung ist eine mit sinkender Temperatur abnehmende Löslichkeit. b Wärmebehandlung zum Herbeiführen einer Ausscheidungshärtung: Aufheizen auf Lösungsglühtemperatur und Halten bei dieser Temperatur, Abschrecken, Aushärten bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur

  • Lösungsglühen zur Auflösung löslicher Phasen und Maximierung der Gehalte gelöster Atome und Leerstellen

  • Abschrecken zur Erhaltung der Übersättigung gelöster Atome und Leerstellen

  • Kaltauslagerung (bei Raumtemperatur) oder

  • Warmauslagerung (bei erhöhter Temperatur).

Nach dem Abschrecken wird die Übersättigung abgebaut durch:
  • homogene Keimbildung (ohne Hilfe von bereits existierenden Keimbildungsorten),

  • heterogene Keimbildung (Keimbildung an Heterogenitäten wie Versetzungen, Korngrenzen) oder

  • spinodale Entmischung (keine Barriere für den Entmischungsprozess).

Die Keimbildung im festen Zustand basiert auf den gleichen Einflussgrößen wie bei der Erstarrung (s. Abschn. 2.9).

Die Stadien während des Ausscheidungsprozesses (beim Kalt- oder Warmauslagern) sind in der Regel Keimbildung, Wachstum der Ausscheidungen unter Zunahme ihres Volumenbruchteils und schließlich Vergröberung (Ostwald-Reifung), wobei sich der ausgeschiedene Volumenbruchteil nicht mehr ändert.

2.13 Härtungsmechanismen

Die Festigkeit reiner Metalle ist in der Regel zu gering für den Einsatz als Konstruktionswerkstoff. Sie werden daher mit anderen Atomen legiert, so dass Mischkristalle und Phasengemische entstehen und Ausscheidungs- und Umwandlungsprozesse möglich werden.

Um die Festigkeit zu erhöhen, werden verschiedene Härtungsmechanismen eingesetzt (Tab. 1, siehe Hornbogen et al. 2019). Es werden Hindernisse in das Gefüge eingebracht, die die Versetzungsbewegung erschweren. Bei der Mischkristallhärtung stellen die gelösten Atome im homogenen Kristall diese Hindernisse dar. Das Spannungsfeld einer gleitenden Versetzung wird durch den Größenunterschied der Atome (lokale Gitterverzerrungen) und den Unterschied in den Schubmoduln (lokale Schwankungen der Bindungsstärke zwischen Atomen) beeinflusst. Beide verhalten sich proportional zur Konzentration der Legierungsatome. Die Wirksamkeit zwischen Substitutions- und Zwischengitteratomen ist sehr unterschiedlich. Zwischengitteratome erzeugen starke Verzerrungen und stellen damit starke Hindernisse dar.
Tab. 1

Härtungsmechanismen in Metallen

Hindernis

Härtungsmechanimus

Legierungsatome

Mischkristallhärtung

Versetzungen

Versetzungshärtung, Kaltverfestigung

Korn-/Phasengrenzen

Korngrenzen-, Feinkornhärtung

Cluster, Teilchen

Ausscheidungs-, Dispersionshärtung

Durch das Einbringen von Versetzungen durch plastische Verformung kann die Festigkeit ebenfalls erhöht werden (Versetzungshärtung oder Kaltverfestigung). Zwischen einzelnen Gleitversetzungen treten Wechselwirkungen auf, die die Versetzungsbewegung behindern. Der Härtungsbeitrag ist proportional zur Versetzungsdichte ρ:
$$ \Delta {\sigma}_V=\alpha Gb\sqrt{\rho } $$
(17)
mit Schubmodul G, Burgers-Vektor b und Konstante α.
Korn- und Phasengrenzen behindern die Versetzungsbewegung ebenfalls (Korngrenzen- oder Feinkornhärtung), da die Gleitwege der Versetzungen mit abnehmender Korngröße sinken und sie sich an den Grenzen aufstauen. Der Festigkeitsbeitrag lautet (Hall-Petch-Gleichung):
$$ \Delta {\sigma}_K=\frac{k_y}{\sqrt{d_K}} $$
(18)
mit mittlerer Korngröße dK und Konstante ky (Korngrenzenwiderstand).
Die Ausscheidungshärtung (oder Teilchenhärtung) (s. Abschn. 2.12) wird durch die Teilchengröße dT, ihren Abstand λ und dem Volumenanteil f der Teilchen bestimmt. Müssen die Versetzungen die Teilchen umgehen (Umgehungsmechanismus), so kann der Härtungsbeitrag mit der Orowan-Gleichung abgeschätzt werden:
$$ \Delta {\sigma}_T=\frac{Gb}{\lambda -{d}_T}\approx \frac{Gb}{\lambda } $$
(19)

Die genannten Härtungsmechanismen lassen sich kombinieren und die resultierende Streckgrenze als Summe ihrer Beiträge betrachten.

3 Kreislaufwirtschaft

3.1 Wirtschaftliche Bedeutung

Der globale Ressourcenverbrauch hat sich seit dem Jahr 1970 mehr als verdreifacht (Schandl et al. 2016). Diese Entwicklung ist in Abb. 18 dargestellt. Betrug der Ressourcenverbrauch pro Kopf im Jahr 1970 noch 6,4 Tonnen, waren es im Jahr 2010 bereits 10,1 Tonnen. (2,7 Tonnen Biomasse, hier vor allem Nahrung und Holz, 1,9 Tonnen fossile Rohstoffe, 1,1 Tonnen Metallerze und 4,4 Tonnen mineralische Rohstoffe, in der Hauptsache Baustoffe). Dabei sind die Unterschiede zwischen den verschiedenen Ländern der Erde sehr groß. In China lag der Ressourcenverbrauch im Jahr 1990 zwischen 2 und 4 Tonnen pro Kopf, im Jahr 2010 dagegen bereits zwischen 14 und 15 Tonnen. In Deutschland schwankte dieser Wert im gleichen Zeitraum zwischen 20 und 25 Tonnen pro Kopf (Schandl et al. 2016).
Abb. 18

Der globale Ressourcenverbrauch in den Kategorien mineralische Rohstoffe, Erze, fossile Rohstoffe und Biomasse (Schandl et al. 2016)

Der gesamtwirtschaftliche Rohstoffeinsatz kann im Rahmen von Materialflussrechnungen dargestellt werden. Das Materialkonto von Deutschland hatte im Jahr 2014 auf der Entnahmeseite und bei Abgabe und Verbleib jeweils ca. 5 × 109 t. Größte Einzelposten sind hier die nicht verwerteten Rohstoffentnahmen (Abraum, Bodenaushub, Erosion). Zum Ausgleich der Bilanz taucht diese Position auf der Entnahme- und Abgabeseite auf. Der Materialverbleib, das sind z. B. neue Gebäude, Straßen etc., ist ebenfalls kritisch zu betrachten, da hiermit Flächenverbrauch verbunden ist. Der Flächenverbrauch betrug in Deutschland im Jahr 2013 73 ha pro Tag (nach 131 ha pro Tag im Jahr 2000 (Umweltbundesamt 2015)). Der Zielwert für 2020 liegt allerdings bei 30 ha pro Tag. Tab. 2 listet die einzelnen Positionen des Materialkontos auf.
Tab. 2

Materialkonto der deutschen Volkswirtschaft im Jahr 2015 in 106 t

Materialflüsse

Entnahme

Bestandszuwachs

Abgabe

verwertete inländische Entnahme

1041

  

nicht verwertete inländische Rohstoffentnahme

2007

  

Importe

645

  

Entnahme von Gasen

1053

  

Materialverbleib

 

717

 

Abfälle an Deponie

 

44

 

Luftemissionen

  

1544

dissipativer Gebrauch von Produkten

  

35

Exporte

  

398

nicht verwertete inländische Rohstoffentnahme

  

2007

Quelle: Statistisches Bundesamt Wiesbaden, 2017

Die Summe aus verwerteter inländischer Entnahme und Importen bezeichnet den direkten Materialeinsatz (direct material input, DMI) und beträgt in Deutschland ca. 20 Tonnen pro Kopf und Jahr. Tatsächlich ist der Materialeinsatz in der deutschen Wirtschaft leicht rückläufig. Der deutliche Anstieg des Bruttoinlandsprodukts (BIP) im gleichen Zeitraum zeigt, dass eine Entkopplung von Wirtschaftswachstum und Ressourcenverbrauch möglich ist (siehe Abb. 19), wenn die Ressourcenproduktivität (EUR/kg) entsprechend gesteigert wird. Von einer „Dematerialisierung“ um einen Faktor 4 oder sogar 10, wie mancherorts gefordert, ist man allerdings noch sehr weit entfernt. Eine nachhaltige Gestaltung der Ressourcennutzung zeichnet sich durch deutlich niedrigere nicht verwertete Rohstoffentnahmen und einen Bestandszuwachs nahe null aus.
Abb. 19

Entkopplung von Ressourcenverbrauch (DMI) und Wohlstand (BIP) in Deutschland. Die Ressourcenproduktivität stieg seit 1994 um ca. 50 %

Diese verbesserte Materialeffizienz (50 % in Deutschland von 1994–2014, also zwischen 2 % und 3 % pro Jahr) ist begründet zum einem im Wandel der Wirtschaft, z. B. mehr Dienstleistungen, aber auch in Technologieverbesserungen zur Erhöhung der Materialeffizienz (Schmidt et al. 2017). Der ursprünglich angepeilte Zielwert für das Jahr 2020 (Verdopplung der Ressourcenproduktivität) wird verfehlt.

Die wirtschaftliche Bedeutung des Produktionsfaktors Material geht z. B. aus Tab. 3 hervor.
Tab. 3

Materialien als Produktionsfaktor der Wirtschaft (Quelle: Statistisches Bundesamt, Fachserie 4, Reihe 4.3, 2016)

 

Brutto-Produktionswert

(Mill. EUR)

Material verbrauch (%)

Energie verbrauch (%)

Personal kosten (%)

Verarbeitendes Gewerbe

2.012.104

41,2

1,6

18,5

Beispielbranchen:

    

Chemische Industrie

159.061

32,0

3,2

15,3

Kraftfahrzeugbau

482.733

46,2

0,5

13,6

Maschinenbau

261.733

40,1

0,9

25,8

Elektroindustrie

114.647

36,6

0,8

26,1

Die Materialkosten in der Industrie enthalten zwar in der Regel auch Personalkosten von vorgelagerten Unternehmen in der Wertschöpfungskette, dennoch stellt die Optimierung des Materialeinsatzes eine wichtige Herausforderung für die Unternehmen dar (Simon und Dosch 2010).

3.2 Ressourcen für Werkstoffe

Die Erzeugung von Metallen, Baustoffen und Kunststoffen basiert naturgemäß auf der Welt-Rohstoffförderung. Tab. 4 gibt einen Überblick über die Weltproduktion in den Jahren 2000 und 2016 von zahlreichen Rohstoffen. Für die meisten Rohstoffe ist ein deutlicher Anstieg zu verzeichnen. Den größten Zuwachs verzeichnet in dieser Übersicht Kobalt (+276 %), begründet durch den Bedarf in der Batterietechnologie.
Tab. 4

Weltproduktion von mineralischen Rohstoffen und Energierohstoffen. Bei den Metallen beziehen sich die Zahlenwerte auf den Metallgehalt, wenn nicht ausdrücklich das Erz genannt wird

Rohstoff

Weltjahresproduktion (1000 t, Erdgas in 106 m3)

 

2000

2016

Kohle

4.310.000

7.388.000

Rohöl

3.583.000

4.377.000

Erdgas

2.509.000

3.715.000

Eisenerz

1.083.000

3.305.000

Salz

211.400

279.600

Bauxit

139.000

289.000

Phosphat

133.000

276.000

Gips

98.100

267.100

Schwefel

52.000

69.400

Pottasche

26.900

37.800

Aluminium

24.600

58.800

Kaolin

22.400

23.800

Magnesit

20.100

29.800

Chromerze

14.700

34.800

Feldspat

13.000

29.144

Kupfer

13.200

23.100

Bentonit

11.400

16.300

Zink

8800

12.300

Talk

7700

7600

Baryt

6000

7600

Titanoxid

4900

5800

Flussspat

4300

6200

Blei

3100

4700

Nickel

1227

2001

Zirkon

1016

1368

Brom

544

610

Zinn

249

349

Molybdän

136

276

Antimon

118

143

Vanadium

62

74

Wolfram

30,6

88,7

Kobalt

34

128

Uran

34,8

62,2

Jod

18,9

31,7

Silber

18,2

27,461

Cadmium

19,4

26,5

Wismut

4,2

3,8

Gold

2,56

3,2

Quecksilber

1,4

4

Platin-Metalle

0,45

0,461

Diamanten

0,022

0,024

Quelle: British Geological Survey, World Mineral Production, Keyworth, Nottingham, UK

Die Energierohstoffe Kohle, Erdöl und Erdgas sind ebenfalls aufgeführt. Als Ressource für die Herstellung von Werkstoffen und anderen Chemieprodukten werden nur etwa 8 % des Erdöls genutzt. Die derzeit bekannten Vorräte führen unter den jetzigen Verbrauchsbedingungen zu geschätzten Nutzungsdauern von etwa 200, 40 bzw. 60 Jahren. Die statische Nutzungsdauer der Metalle (Momentaufnahme eines dynamischen Systems) variiert zwischen 20 und 40 Jahren; sie liegt bei Aluminium (Bauxit) und Eisenerz bei über 100 Jahren.

Der spezifische Energiebedarf für die Erzeugung von einigen Werkstoffen ist in Tab. 5 dargestellt (Ashby 2005; Song et al. 2009). Dieser Energiebedarf ist ein kumulierter Zahlenwert und bezieht sich auf den gesamten Herstellungsprozess vom Rohstoff zum Material. Die Analyse des Energieverbrauchs für technische Produkte hat den kumulierten Energieaufwand im Materialkreislauf zu berücksichtigen, der sich als Summe des Energieverbrauchs für die Herstellung, bei der Nutzung und für die Entsorgung des Produktes ergibt (Verein Deutscher Ingenieure 2012, 2015).
Tab. 5

Abschätzung des spezifischen Energiebedarfs für die Erzeugung von Werkstoffen (Ashby 2005; Song et al. 2009)

Werkstoff

spezifischer

Energiebedarf

 

(MJ/kg)

Metalle

 

Gusseisen

16 … 18

Stahl

22 … 27

Edelstahl

77 … 85

Kupfer

63 … 70

Aluminium (aus Bauxit)

184 … 203

Kunststoffe (Granulat)

 

Polyvinylchlorid

63 … 70

Polyethylen

77 … 85

Polystyrol

96 … 106

Keramische Werkstoffe

 

Soda-Kalk-Glas

13 … 14

Quarzglas

30 … 33

Wolframcarbid

82 … 91

Faserwerkstoffe

 

Glasfaserns

13 … 32

Carbonfasern

183 … 286

3.3 Werkstoffe und die Umwelt

Abb. 20 zeigt, dass Werkstoffe als Bestandteile technischer Produkte bei deren technischer Funktion in Wechselwirkung mit ihrer Umwelt stehen. Die Wechselwirkungen beschreibt man allgemein als den einen oder anderen von zwei komplementären Prozessen:
  • Immission, die Einwirkung von Stoffen oder Strahlung auf einen Werkstoff, die z. B. zur Korrosion führen kann.

  • Emission, der Austritt von Stoffen oder Strahlung (auch Schall). Eine Emission aus einem Werkstoff ist in der Regel gleichzeitig eine Immission in die Umwelt.

Abb. 20

Nutzung von natürlichen Ressourcen in der Wirtschaft in Wechselwirkung mit der Umwelt (Verein Deutscher Ingenieure 2016)

Zum Schutz der Umwelt – und damit des Menschen – bestehen gesetzliche Regelungen für den Emissions- und Immissionsschutz mit Verfahrensregelungen und Grenzwerten für schädliche Stoffe und Strahlungen.

Hinsichtlich des Umweltschutzes sind an die Werkstoffe selbst hauptsächlich die folgenden Forderungen zu stellen:
  • Umweltverträglichkeit, die Eigenschaft, bei ihrer technischen Funktion die Umwelt nicht zu beeinträchtigen (und andererseits von der jeweiligen Umwelt nicht beeinträchtigt zu werden).

  • Recyclierbarkeit (siehe auch Abschn. 3.4), die Möglichkeit der Rückgewinnung und Wiederaufbereitung nach dem bestimmungsgemäßen Gebrauch. Einen Eindruck von den gegenwärtig erzielbaren Recyclingquoten von Metallen in Deutschland gibt Tab. 6.

  • Abfallbeseitigung, die Möglichkeit der Entsorgung von Material, wenn ein Recycling nicht möglich ist (Simon und Keldenich 2012).

Tab. 6

Recyclingquoten von Werkstoffen bezogen auf den Verbrauch

Werkstoff

Recyclingquote %

Aluminium

53

Kupfer

42

Stahl

44

Quelle: BGR, Deutschland – Rohstoffsituation 2015 (2016)

Nach dem Vorbild der Stoffkreisläufe in der belebten Natur sind heute auch für die Materialien der Technik im Prinzip stets geschlossene Kreisläufe anzustreben und ggf. durch „Ökobilanzen“ zu kennzeichnen.

Werkstoffe werden durch verfahrenstechnische Prozesse aus Rohstoffen (Erze, Naturstoffe, fossile Rohstoffe) oder durch Recycling aus Abfällen hergestellt (siehe Abb. 20). Dabei ist die Nutzung natürlicher Ressourcen immer auch mit Eingriffen in die Umwelt verbunden. Die Auswirkungen auf die Umwelt während Gewinnung, Herstellung, Nutzung und danach als Abfall sind vielfältiger Art (Landverbrauch, Potenzial für Treibhauseffekt, Ökotoxizität, usw.). Eine Möglichkeit zur Quantifizierung der Umweltbelastungen ist der Indikator kumulierter Ressourcenaufwand KRA. Dieser Parameter ist die Summe der zur Herstellung und Transport eines Produkts aufgewendeten Primärrohstoffe, inklusive der Energierohstoffe, entlang der Wertschöpfungskette. Nicht wirtschaftlich verwendete Stoffe und Stoffgemische, wie die nicht verwertete Entnahme, bleiben unberücksichtigt (Verein Deutscher Ingenieure 2018).

KRA ist ein umfassender Input-Indikator und misst die materielle Basis einer Volkswirtschaft, d. h. alle der Umwelt im In- oder Ausland entnommenen Primärmaterialien, die mit der inländischen Produktion verbunden sind. Daher ist KRA ein quantitativer Wert für Umweltbelastungen durch die Entnahme und Nutzung natürlicher stofflicher Ressourcen. Bezieht man den kumulierten Ressourcenaufwand auf eine spezifische Menge (spezifischer KRA), z. B. ein Kilogramm, kann man die Umweltbelastungen verschiedener Materialien vergleichen.

Ein Wert von 194 kg/kg (Kupfer) bedeutet, dass für die Herstellung von 1 kg Kupfer 194 kg Material (einschließlich der Materialflüsse aus dem Energieverbrauch der Herstellungsprozesse) eingesetzt werden. Multiplikation mit der Jahresproduktion liefert dann den Wert für KRA für die deutsche Wirtschaft. Werte für den KRA einiger Materialien sind in Tab. 7 aufgelistet.
Tab. 7

Spezifischer kumulierter Ressourcenaufwand einiger Werkstoffe und Primärproduktion in Deutschland. Der kumulierte Ressourcenaufwand für Deutschland ergibt sich aus der Multiplikation der beiden Zahlen (Steger et al. 2019; Simon und Holm 2018)

Werkstoffklasse

Werkstoff

spez. KRA

Primärproduktion

  

(kg/kg)

(1000 t)

Metalle

Stahl

6,71

42.645

 

Edelstahl

62,3

1091

 

Aluminium

22,9

2980

 

Kupfer

196

1389

 

Zink

22

652

 

Blei

16

367

 

Zinn

1184

24,23

 

Silber

6416

4,13

 

Gold

835.622

0,04

 

Platin

327.924

0,21

Mineralische Werkstoffe

Gesteinskörnungen

1,05

497.000

 

Flachglas

2,25

3900

Kunststoffe

PE-HD

1,8

19.800

 

PP

1,75

 
 

PET

3,49

 
 

PS

2,17

 
 

PVC

2,2

 

Kunststoffe gesamt

Hohe Werte für den KRA resultieren entweder aus einem hohen spezifischen KRA (z. B. Gold, Platin, etc.) oder einer großen produzierten Menge.

3.4 Recycling

Recycling von Metallen

Recycling ist eine Möglichkeit zur Erhöhung der Ressourcenproduktivität. Dadurch werden gleichzeitig negative Umweltauswirkungen der Ressourcennutzung minimiert. In Tab. 6 sind die Recyclingquoten einiger metallischer Werkstoffe gelistet. Metalle können nahezu unbegrenzt mit nur geringen Qualitätsverlusten wegen der Aufkonzentrierung von Legierungselementen recycelt werden (Ayres et al. 2003). Große Bedeutung besitzt dabei insbesondere wegen der Mengen der Einsatz von Stahlschrott in der Stahlindustrie. Die in Deutschland produzierte Stahlmenge von 42,6 Millionen Tonnen wurden aus 26,4 Millionen Tonnen Roheisen zusammen mit 16,2 Millionen Tonnen Stahlschrott erzeugt.

Recyclingquoten können auf unterschiedliche Weise berechnet werden. Die Zahlenwerte aus Tab. 6 zeigen an, zu welchen Anteil Sekundärrohstoffe an der Gesamtproduktion beteiligt sind. Bei steigenden Produktionsmengen sind somit Recyclingquoten von 100 % gar nicht möglich. Der Wert von 44 % für Stahl bedeutet nicht, dass 56 % verloren gegangen sind, z. B. durch Deponierung oder dissipative Nutzung. Stahlprodukte sind häufig sehr langlebig und verbleiben daher lange im urbanen Lager. Die End-of-life Recyclingrate (EOL-RR, Schrottmenge in Recyclingprozessen/gesamte Schrottmenge) von Eisen und Stahl liegt bei 90 % (Graedel et al. 2011).

Ein weiteres gutes Beispiel für Metallrecycling ist das Element Blei. Die Recyclingquote liegt in den USA stets über 60 %. Grund ist die Konzentration der Anwendung von Blei in der Produktion von Bleiakkumulatoren, die sich gut recyceln lassen und für die funktionierende Sammelsysteme existieren. Dass dennoch zwischen 20 % und 40 % des gesamten Bleiverbrauchs (1,5 × 106 Tonnen im Jahr 2011 (Sibley 2011)) durch Importe und aus dem Bergbau gedeckt werden müssen, liegt an Verwendungen, für die das Recycling von Blei schwierig sind (Farben, Keramik, Lötmittel, Munition etc.).

Neben dem Aspekt Ressourcenschonung ist vor allem der Energieverbrauch beim Recycling von metallischen Werkstoffen deutlich geringer als bei der Erzeugung aus Rohstoffen. Beim Aluminium werden z. B. bei der Herstellung aus Sekundäraluminium weniger als 10 % der Energie als bei der Herstellung aus Bauxit benötigt (Ayres et al. 2006).

Recycling von Kunststoffabfällen

Anders sieht die Situation bei den Kunststoffen aus. Von den 19,8 × 106 Tonnen im Jahr 2013 produzierter Polymere in Deutschland wurden rund 11,7 × 106 Tonnen zu Kunststoffprodukten weiterverarbeitet (Steger et al. 2019). Fast 40 % der Kunststoffe wird für Verpackungen genutzt, gefolgt von knapp 20 % für den Bausektor (PlasticsEurope 2018). Recycling von Kunststoffen ist auf unterschiedliche Weisen möglich:
  • mechanisches Recycling (werkstoffliches Recycling, back-to-polymer recycling BTP). Die chemische Struktur des Materials bleibt unverändert, verändert wird nur die Gestalt, z. B. durch Schreddern. Es werden wieder direkt Kunststofferzeugnisse hergestellt.

  • rohstoffliches Recycling (back-to-feedstock recycling BTF). Die Kunststoffe werden durch einen chemischen Prozess in Rohstoffe wie z. B. Rohölersatz, Naphta, Synthesegas umgewandelt.

  • energetische Verwertung. Kunststoffe werden in der Stahlherstellung als Reduktionsmittel oder in Feuerungsanlagen zur Strom- oder Wärmeerzeugung eingesetzt.

Von den im Jahr 2013 in Deutschland gesammelten 8,3 × 106 Tonnen Kunststoffabfällen wurden nahezu 100 % verwertet oder zusammen mit anderen Siedlungsabfällen in Verbrennungsanlagen eingesetzt. In die stoffliche Verwertung gingen 970.000 t, 2,5 × 106 t wurden energetisch verwertet (Steger et al. 2019). Welcher Weg zu bevorzugen ist, hängt stark davon ab, in welcher Form die Kunststoffe ins Recycling gelangen. Sortenreine Kunststofffraktionen eignen sich besser zum werkstofflichen Recycling als gemischte Verpackungsabfälle aus Haushaltsabfällen.

Recycling von sonstigen Abfällen

Es gibt zahlreiche Beispiele der Gewinnung von Rohstoffen aus Abfällen, um so natürliche Ressourcen zu schonen: Altglasscherben als Rohstoff für die Glasindustrie, Gips aus Rauchgasentschweflungsanlagen für die Herstellung von Gipskartonplatten, Flugaschen aus Kohlekraftwerken und Schlacken aus der Metallurgie als Zementzumahlstoff, Gesteinskörnung aus dem Bauschuttrecycling für die Betonherstellung, Eisen und Nichteisenmetalle aus Abfallverbrennungsaschen für die Metallindustrie, Altpapier für die Papierindustrie (Simon und Keldenich 2012; Simon und Adam 2012). Viele weitere Recyclingverfahren befinden sich in der Entwicklung. Ob sich die Verfahren am Markt etablieren können, hängt von den Kosten für die Behandlung und den Preisen für die natürlichen Rohstoffe ab. Letztere sind für viele Rohstoffe durch erhöhte Nachfrage in Asien in letzter Zeit stark angestiegen.

Die Effekte durch den Einsatz von Sekundärrohstoffen aus Recyclingprozessen sind bedeutend. Der DMI (siehe Abschn. 3.1) würde ohne den Einsatz von Sekundärrohstoffen gut 14 % höher ausfallen. Die Energieeinsparung in Deutschland durch den Einsatz von Sekundärrohstoffen beläuft sich auf 1,5 Millionen TJ (Primärenergieverbrauch 13,8 Millionen TJ) (Steger et al. 2019).

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Authors and Affiliations

  • Birgit Skrotzki
    • 1
    Email author
  • Franz-Georg Simon
    • 2
  • Horst Czichos
    • 3
  1. 1.Fachbereich Experimentelle und modellbasierte WerkstoffmechanikBundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)BerlinDeutschland
  2. 2.Fachbereich Schadstofftransfer und UmwelttechnologienBundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)BerlinDeutschland
  3. 3.BerlinDeutschland

Section editors and affiliations

  • Birgit Skrotzki
    • 1
  1. 1.Experimental and Model Based Mechanical Behaviour of MaterialsBundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)BerlinGermany

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