imported>Baum64: /* Makrostruktur */ Die kristallographische Textur ist ein Effekt der Mikrostruktur

2025-08-30T13:20:12Z

Makrostruktur: Die kristallographische Textur ist ein Effekt der Mikrostruktur

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{{Dieser Artikel|behandelt Werkstoffe im Sinne der Ingenieurwissenschaften. Für die in der Betriebswirtschaftslehre üblichen Begriffsverwendung siehe [[Werkstoff (Produktion)]].}}
[[Datei:Rubber bands - Colors - Studio photo 2011.jpg|mini|Gummibänder – Elastomere Werkstoffe mit farbigen Additiven]]
[[Datei:Binderholz 4.jpg|mini|Holz als Konstruktionswerkstoff]]
'''Werkstoffe''' im engeren Sinne nennt man Materialien im festen Aggregatzustand, aus denen Bauteile und Konstruktionen hergestellt werden können.<ref>[[Horst Czichos]], Manfred Hennecke (Hrsg.). HÜTTE – Das Ingenieurwissen, 33., aktualisierte Auflage, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-71851-2, S. D1.</ref> Derartige Materialien besitzen die besondere Eigenschaft formgeberischer „Bildsamkeit“ in einem weitgefassten Sinne. Erst durch diese können Bauteile eine im [[Konstruktionsprozess]] entwickelte [[Gestalt]] später in der [[Fertigung]] tatsächlich annehmen. Die Qualität und die Eigenschaften der [[Fertigprodukt]]e werden durch die Wahl geeigneter Werkstoffe und der Fertigungsverfahren ([[Urformen]], [[Umformen]], [[Wärmebehandlung]] etc.) entscheidend beeinflusst. Zur Charakterisierung und Sicherstellung der Qualität dient die [[Werkstoffprüfung]].

Fachgebiete, die sich mit der Erforschung und Entwicklung von Werkstoffen beschäftigen, sind Werkstoffkunde sowie [[Materialwissenschaft und Werkstofftechnik]].

== Einteilung ==
In der heutigen [[Werkstoffkunde]] unterscheidet man verschiedene Werkstoffgruppen, deren Einteilung nicht immer identisch, aber ähnlich ist. Sie werden beispielsweise<ref>Bernhard Ilschner, Robert F. Singer: ''Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik''. 6. Aufl. Springer, 2016, S. 20.</ref> folgendermaßen eingeteilt:

* '''Eisenwerkstoffe''', vor allem [[Stahl]] mit einem Kohlenstoffgehalt unter 2 % und [[Gusseisen]] mit über 2,06 % Kohlenstoff
* [[Nichteisenmetall]]e und ihre [[Legierung]]en, wie [[Aluminium]], [[Kupfer]], [[Messing]], [[Magnesium]], [[Titan (Element)|Titan]] etc.
* [[Halbleiter]], wie [[Silicium]], [[Germanium]] oder [[organische Halbleiter]]
* [[Polymere]], in den Untergruppen [[Thermoplaste]], [[Duroplaste]] und [[Elastomere]]
* anorganische nichtmetallische Werkstoffe, wie [[Keramik]], [[Glas]]
* [[Mineral]]ische Naturstoffe, wie [[Zeolithe (Stoffgruppe)|Zeolithe]], [[Saponit]], [[Grafit]] etc.
* organische Naturstoffe, wie [[Holz]], [[Baumwolle]], [[Flachsfaser|Flachs]] etc.

Verbreitet sind auch einfachere Einteilungen in:<ref>{{Literatur |Autor=Horst Briehl |Titel=Chemie der Werkstoffe |Auflage=3. |Verlag=Springer Vieweg |Datum=2014 |ISBN=978-3-658-06224-8 |Seiten=9 |DOI=10.1007/978-3-658-06225-5}}</ref><ref>Horst Czichos, Birgit Skrotzki, Franz-Georg Simon: ''Das Ingenieurwissen – Werkstoffe''. Springer, 2014, S. 9f.</ref><ref name="Bargel342">{{Literatur |Hrsg=Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulze |Titel=Werkstoffkunde |Auflage=11. |Verlag=Springer-Verlag |Ort=Berlin/Heidelberg |Datum=2012 |ISBN=978-3-642-17717-0 |Seiten=342 |DOI=10.1007/978-3-642-17717-0}}</ref>
* metallische Werkstoffe
* nichtmetallische anorganische Werkstoffe (Keramiken)
* Polymere ([[Kunststoff]]e)

Die [[Verbundwerkstoff]]e sind Kombinationen aus Werkstoffen mehrerer Werkstoffgruppen.

Die nichtmetallischen anorganischen Werkstoffe werden auch folgendermaßen eingeteilt:<ref name="Bargel357">{{Literatur |Hrsg=Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulze |Titel=Werkstoffkunde |Auflage=11. |Verlag=Springer-Verlag |Ort=Berlin/Heidelberg |Datum=2012 |ISBN=978-3-642-17717-0 |Seiten=357 |DOI=10.1007/978-3-642-17717-0}}</ref>
* [[Kristall]]e
* [[Keramik]]en
* [[Glas|Gläser]]
* anorganische Bindemittel (z. B. [[Zement]])

Eine weitere Einteilungsmöglichkeit unterscheidet
* [[Strukturwerkstoff|Struktur-]] bzw. Konstruktionswerkstoffe (z. B. Bauwerkstoffe, Profilstangen, [[Karosserie]]teile)
* [[Funktionswerkstoff]]e (z. B. [[Beschichten|Beschichtungen]], [[Katalysator]]en, elektronische Bauteile)
* [[Werkzeug]]werkstoffe (z. B. Leicht oder präzise zu bearbeitende verschleißfeste Materialien, [[Faden|Fäden]] und [[Draht|Drähte]])

== Bezeichnung von Werkstoffen ==
{{Siehe auch|Werkstoffgruppen metallischer Werkstoffe}}
Ein technischer Werkstoff wird eindeutig durch die [[Werkstoffnummer]] bezeichnet.

Neben der Werkstoffnummer gibt es viele kurzgefasste Bezeichnungen nach [[Normung|Norm]] für einzelne Metallgruppen: [[Deutsches Institut für Normung|DIN]] [[Europäische Norm|EN]] 10027 für [[Stahl]], DIN EN 1560 für [[Gusseisen]], DIN EN 573 für [[Aluminium]] und -legierungen, DIN EN 1412 und DIN EN 1173 für [[Kupfer]] und -legierungen.<ref name=":0">{{Literatur |Autor=Wolfgang Weißbach |Hrsg= |Titel=Werkstoffkunde : Strukturen, Eigenschaften, Prüfung |Auflage=16., überarbeitete Auflage |Verlag=Friedr. Vieweg & Sohn Verlag GWV Fachverlage GmbH |Ort=Wiesbaden |Datum=2007 |ISBN=978-3-8348-0295-8}}</ref> Für Stahl gibt es [[Stahlsorte#Werkstoffkurzname nach EN 10027-1|Werkstoffkurznamen]], die sich überwiegend nach der Einsatzbestimmung richtet. Außerdem ist es üblich, Stahl nach seiner chemischen Zusammensetzung, also seinen [[Legierung]]sbestandteilen, zu klassifizieren. Die [[UNS-Nummer]] ist ein weiteres System, das nur für Metalle gültig ist und im Industriellen Umfeld eingesetzt wird.

[[Kunststoff]]e werden nach der Norm DIN EN [[Internationale Organisation für Normung|ISO]] 1043 für Basispolymere oder DIN EN 14598 für verstärkte härtbare Formmassen bezeichnet. Die Bezeichnung setzt sich aus Kennbuchstaben und einem mit Bindestrich angehängtem Zusatzzeichen für besondere Eigenschaften der [[Polymer]]e zusammen. Für [[Polyolefinformmasse]]n gibt es weiterführende ISO-Standards.

== Geschichte ==
{{Siehe auch|Metallurgie#Geschichte}}
Der Einsatz von Werkstoffen zieht sich bereits durch die gesamte [[Urgeschichte|Vorgeschichte]] der Menschheit. Das Material für einen [[Faustkeil]] (Stein) ist ein Werkstoff und ein Charakteristikum der [[Steinzeit]]. Es gehört mit [[Holz]] zu den ältesten Naturwerkstoffen, die es gibt.

Um 10.000 v. Chr. wurde zum ersten Mal [[Keramik]] hergestellt. Es ist der älteste künstliche Werkstoff.

Im [[8. Jahrtausend v. Chr.]] begann die technische Nutzung von [[Metalle]]n. Zunächst wurde mit gediegenen ([[Chemisches Element|elementar]] vorkommenden) Metallen wie [[Gold]], [[Silber]] und [[Kupfer]] gearbeitet. Der Gebrauchswert dieser Werkstoffe war jedoch noch zu gering, was zur Entdeckung und Herstellung der ersten [[Legierung]], nämlich der [[Bronze]], führte. Die Herstellung von Bronze setzt bereits einen fortschrittlichen [[Bergbau]] zur Bereitstellung von Kupfer- und [[Zinn]]erzen voraus. Außerdem waren [[Verhüttung]]stechniken nötig. Die immer bessere Beherrschung dieser Technologien führte schließlich dazu, dass auch [[Eisen]] verhüttet werden konnte. Nach dem [[Dreiperiodensystem]] werden die jeweiligen Perioden nach den fortschrittlichsten eingesetzten Werkstoffen bezeichnet (siehe auch [[Archäometallurgie]]).

Parallel dazu wuchs mit der Entstehung von [[Siedlung]]en und [[Stadt|Städten]] der Bedarf nach Werkstoffen für das [[Bauwesen]] (Stein, Holz), [[Hiebwaffe|Hieb-]] und [[Stichwaffe]]n, [[Münze]]n (Metalle) und Haushaltsgegenständen (zum Beispiel Keramikgefäße, [[Glas]]kunst).

== Größenskalen einer Werkstoffstruktur ==
Kein Werkstoff ist wie der andere, weil auch der Aufbau von der Makrostruktur bis hin zur atomaren Struktur sehr unterschiedlich sein kann. Die Werkstoffstruktur entscheidet jedoch über weitere Eigenschaften und das Verhalten. Die Größenskala ist nach dem [[SI-Präfix]] der Länge benannt, jedoch nicht scharf abgegrenzt und überlappt sich zum Teil.

=== Makrostruktur ===
Die makroskopische Erscheinungsform eines Werkstoffes kann sich sichtbar erstrecken von Bruchteilen von Millimetern bis zu einigen Metern. Die Makrostruktur ist mit dem bloßen Auge sichtbar.

=== Mikrostruktur ===
[[Datei:Pearlite1.jpg|verweis=:Datei:Pearlite1.jpg|mini|Mikrostruktur von laminar [[Perlit (Stahl)|perlitischen]] Stahl im [[Rasterelektronenmikroskop|REM]]]]
Die Mikrostruktur wird in der Werkstoffwissenschaft auch als [[Gefüge (Werkstoffkunde)|Gefüge]] bezeichnet. Sie kann in Mikroskopen betrachtet werden und schließt Strukturgrößen von über 100 Nanometern bis zu wenigen Millimetern ein. Aufgrund der Mikrostruktur findet die Einteilung in die Werkstoffklassen (Metall, Keramik, Polymer oder [[Verbundwerkstoff|Komposit]]) statt. In dieser Größenordnung findet ein Großteil der Werkstoffentwicklung für Metalle und Keramiken statt, weil entscheidende Mechanismen für die [[Plastizität (Physik)|Plastizität]] hier ablaufen. Poren können der Anfang von [[Risswachstum|Rissen]] sein, können jedoch gewünscht sein um eine große [[Oberflächenchemie|Oberfläche]] zu erzeugen. Der Voraussage von Größe und Verteilung von [[Phasenübergang|Phasen]] widmet sich die [[Thermodynamik]] und [[Kinetik (Chemie)|Kinetik]]. Ein Zusammenhang zwischen der Korngröße und der mechanischen Festigkeit in metallen ist die [[Kornfeinung|Hall-Petch-Beziehung]].

=== Nanostruktur ===
[[Datei:TEM images of silica-organic matrix-based suspension.jpg|verweis=:Datei:TEM images of silica-organic matrix-based suspension.jpg|mini|[[Transmissionselektronenmikroskop|TEM]]-Aufnahme einer Siliziumdioxid Suspension]]
[[Nanomaterial]]ien zeichnen sich durch Strukturgrößen von 1 bis 100 Nanometer aus. [[Nanopartikel]] sind [[Cluster (Physik)|Cluster]] von einigen Hundert bis Millionen Atomen oder Molekülen, deren Verhalten besser durch die [[Quantenmechanik]] beschrieben werden kann als durch die [[klassische Mechanik]]. Hier eröffnen sich viele interessante und neue Potenziale für [[Mechanik|mechanische]], [[Elektrodynamik|elektrische]], [[Magnetismus|magnetische]] und [[Optik|optische]] Eigenschaften. Insbesondere in [[kristall]]inen Phasen ist die Art, Anzahl und Verhalten von [[Defekt (Halbleitertechnik)|Defekten]] entscheidend für diese Eigenschaften. Fremdatome im Kristall führen z. B. zu [[Mischkristallverfestigung]] oder [[Dotierung|dotierten]] [[Halbleiter]]. Die Nanostruktur ist für [[Katalysator]]en und „[[Lab-on-a-Chip]]“ von Bedeutung weil extrem große oder auch [[Hydrophobie|hydrophobe]] Oberflächen hergestellt werden können. In der Natur sind Nanostrukturen weit verbreitet zum Beispiel an [[Lotosblumen]] oder dem [[Glasflügelfalter]].

== Eigenschaften ==
{{Hauptartikel|Stoffeigenschaft}}

Werkstoffe sind in der Regel [[Gemisch|Stoffgemische]], in denen die [[Synthese]] und das [[Fertigungsverfahren]] eine weit größere Vielfalt an Eigenschaften erlauben als es in Reinstoffen möglich ist. Insbesondere durch [[Wärmebehandlung]]en werden die Stoffe ge- und entmischt um ihre Eigenschaften anzupassen. Werkstoffe können anhand ihrer Synthese, Formbarkeit und Fertigung aber auch unter ökologischen Gesichtspunkten weiter charakterisiert werden. Um einen Werkstoff bezüglich einer konkreten Anwendung zu charakterisieren, werden [[Werkstoffkenngröße]]n durch Prüf- und Messverfahren quantifiziert.
{{Siehe auch|Werkstoffkenngröße}}
=== Fertigungstechnische Eigenschaften ===
Jeder Werkstoff ist eng verbunden mit seinem [[Fertigungsverfahren]]. Metallische Werkstoffe werden größtenteils geschmolzen um z. B. Legierungen zu bilden. Die [[Gießbarkeit]] ([[Urformen|Urformbarkeit]]) gibt an ob die Schmelze direkt in die endgültige Form gegossen werden kann und ob weitere oder andere Fertigungsprozesse erforderlich sind. Häufig wird ein Gussteil subtraktiv weiter bearbeitet, worüber die [[Zerspanbarkeit]] ([[Trennen (Fertigungstechnik)|Trennbarkeit]]) des Werkstoffes Auskunft gibt.<ref name=":0" /><ref>{{Literatur |Hrsg=[[Alfred Herbert Fritz|A. Herbert Fritz]] |Titel=Fertigungstechnik |Auflage=12. |Verlag=Springer |Ort=Berlin |Datum=2018 |ISBN=978-3-662-56534-6}}</ref>

Die [[3D-Druck|additive Fertigung]] ist nicht für jeden Werkstoff geeignet, ermöglicht jedoch sehr komplexe Geometrien ohne Materialverlust. Das [[Fügen (Fertigungstechnik)|Fügen]] von einzelnen Strukturelementen ist unter anderem abhängig von der [[Schweißeignung]] und der Neigung zum [[Kaltschweißen]]. Insbesondere für Polymere und Keramiken ist die [[Kleben|Klebbarkeit]] und das Verbundsverhalten mit [[Klebstoff]]en von Bedeutung.

Die [[Wärmebehandlung]] ist ein zentrales fertigungsorientiertes Verfahren. Die Temperatur und Dauer der Behandlung sowie die Auswirkungen auf die Mikrostruktur in Metallen, Keramiken und Kunststoffen unterscheiden sich sehr stark. Sehr verbreitete Behandlungen Einstellen der Eigenschaften sind bei Metallen, das [[Glühen]], bei Keramiken das [[Sintern]] zum und bei Kunststoffen das [[Tempern]].

Die [[Beschichten|Beschichtbarkeit]] eines Werkstoffes durch einen anderen ist entscheidend für die Verbesserung von chemischen und mechanischen Eigenschaften des Verbundes. Beispiele sind das [[Lackieren]], [[Galvanisieren]], [[Pulverbeschichten]], [[Feuerverzinken]].

=== Ökologische Werkstoffeigenschaften ===
Ein Werkstoff hat keine intrinsische ökologische Eigenschaften. Diese sind vielmehr von der Art der Gewinnung (z. B. [[Bergbau]], [[Recycling]]) und der Fertigung abhängig. In der Fertigung liegt die Materialausnutzung bei Metallen beim [[Gießen (Metall)|Gießen]], [[Sintern]] und [[Fließpressen]] meist über 85 %. Das [[Zerspanen]] ist hingegen mit Materialverlust von bis zu 60 % verbunden. Der Energieverbrauch kann für das Zerspanen in der Größenordnung von 80 bis 100 MJ/kg angenommen werden, wohingegen zuvor genannte unter 50 MJ/kg liegen. Generell sind [[Additive Fertigung|additive]] Fertigungsverfahren energie- und ressourceneffizienter als subtraktive Verfahren. Sintern ist im allgemeinen Vergleich das energieeffizienteste Fertigungsverfahren pro Produktmasse.<ref name=":0" />
* Rohstoffverbrauch bei Herstellung und Verarbeitung
* Emissionen von z. B. [[Kohlenstoffdioxid|CO<sub>2</sub>]] bei der Herstellung und Verarbeitung
* [[Endenergieverbrauch|Energieverbrauch]] bei Herstellung und Verarbeitung
* [[Umweltverträglichkeit]] oder [[Giftigkeit|Toxizität]]
* [[Recycling]]fähigkeit
* [[Biologische Abbaubarkeit]]

== Siehe auch ==
{{Portal|Werkstoffe}}
* [[Nanowerkstoff]]
* [[Werkstoffdatenbank]]
* [[Werkstoffauswahl]]

== Literatur ==
* Manfred Merkel, Karl-Heinz Thomas: ''Taschenbuch der Werkstoffe.'' Fachbuchverlag, 1994, ISBN 3-343-00845-1.
* [[Bundesministerium für Bildung und Forschung]] (Hrsg.): ''Werkstoffwelten. Entdeckungen im Kosmos der Stoffe.'' BMBF, Referat Publ., Internetred., 2005 ({{Webarchiv |url=https://www.ptj.de/lw_resource/datapool/_items/item_2314/werkstoffwelten.pdf |text=Broschüre als PDF |wayback=20180209002837}}).

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
{{Wikibooks|Werkstoffkunde Metall/ Eisen und Stahl/ Normen und Legierungen|Werkstoffkunde Metall}}
* {{DNB-Portal|4065579-9}}
* [https://www.werkstoffe.de/ Online-Materialinformationssystem werkstoffe.de]
* [https://www.dgm.de/ Deutsche Gesellschaft für Materialkunde]
* [https://www.werkstofftechnologien.de/ werkstofftechnologien.de – Vom Material zur Innovation], Förderprogramm des [[Bundesministerium für Bildung und Forschung|Bundesministeriums für Bildung und Forschung]]
* [https://www.ifw-dresden.de/ifw-institutes/ikm/lectures/vorlesungsskript-physikalische-werkstoffeigenschaften Skript ''Physikalische Werkstoffeigenschaften'' (TU Dresden)]
* {{Webarchiv |url=http://www.stahl-online.de/wp-content/uploads/2013/08/201402_Welterzeugung_Vergleich_1970_2013.png |text=Erzeugungsmengen verschiedener Werkstoffe weltweit |wayback=20140429050757}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4065579-9|LCCN=sh85082065|NDL=00566211}}

[[Kategorie:Werkstoff| ]]

Werkstoff - Versionsgeschichte

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