Einführung naturwissenschaftliche Ingenieurgrundlagen an der Wilhelm Büchner Hochschule

Werkstoffe sind jener Teil der Materie, die der Mensch zur Herstellung von Gütern aller Art benutzt, um seine Bedürfnisse zu befriedigen. 

Neben den Werkstoffen benötigt man zur Güterherstellung Hilfsstoffe (z. B. Schmierstoffe). 

Die Basis für die Werk- und Hilfsstoffe sind die Rohstoffe (z. B. Kohle, Erdöl, Erze).

–die metallischen Werkstoffe (Metalle)
–die anorganisch nichtmetallischen Werkstoffe (anorganische Gläser und Keramik)
–die organischen hochpolymeren Werkstoffe (Kunststoffe, Elaste)
–die Verbundwerkstoffe

hohe Festigkeit, gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit und gute Formbarkeit. Sie sind – je nach Verarbeitung – sehr hart oder relativ weich und zäh, magnetisierbar, lichtundurchlässig, metallisch glänzend und reagieren mit Säuren unter Bildung von Salzen.

Die größeren, ortsfesten Teilchen sind also die Atomrümpfe, positiv geladene Ionen (Kationen), die ihre Außenelektronen (Valenzelektronen) abgegeben haben.
Diese losgelösten, negativ geladenen Elektronen bewegen sich als „Elektronenwolke“ oder „Elektronengas“ zwischen den positiven Atomrümpfen. 

Da sich unterschiedliche Ladungen anziehen, halten sie – gewissermaßen als eine Art „Elektronenkitt“ – die positiven Atomrümpfe zusammen.

Wichtig für die metallischen Eigenschaften ist besonders, dass alle Atomrümpfe im Metallgitter die gleiche Ladung besitzen (+) und die freien Elektronen (–) keinem bestimmten Atomrumpf zugeordnet und somit im Gitter verschiebbar sind (sie werden deshalb auch treffend als „Kollektivelektronen“ bezeichnet).

Ein Metallgitter besteht aus regelmäßig angeordneten Atomrümpfen (positive Metallionen gleicher Ladung), die durch „frei“ bewegliche negative Elektronen „zusammengekittet“ werden.

Da die beschriebene Metallbindung keine bestimmte Richtung zeigt (die Kraftwirkungen sind über die Oberfläche verteilt), ordnen sich die Atomrümpfe in einer hochsymmetrischen Gitterstruktur an.

Die dichtesten Packungen kugelförmiger Teilchen sind die hexagonale und die kubisch flächenzentrierte Anordnung (Koordinationszahl 12). Etwas weniger dicht gepackt ist das kubisch raumzentrierte Gitter (Koordinationszahl 8).

Manche Metalle zeigen in verschiedenen Temperaturbereichen unterschiedliche Gitterformen. Das Raumgitter wandelt sich bei einer bestimmten Temperatur in ein anderes um. Man bezeichnet solche Metalle als allotrop (Allotropie von Metallen).

Die Art der Metallbindung und die Form des Metallgitters bestimmen zum Teil die metallischen Eigenschaften.

Das Gefüge eines Metallkörpers besteht aus vielen einzelnen Kristallen (Kristalliten bzw. Körnern), die durch Korngrenzen getrennt sind.

Je feiner das Gefüge, je kleiner also die Kristallite, umso besser sind im Allgemeinen die mechanischen Eigenschaften.

Die Größe der Kristallite wird bestimmt durch ihre Wachstumsgeschwindigkeit und die Menge der Fremdteilchen in der Schmelze.

(z. B. Variieren der Abkühlungsgeschwindigkeit aus der Schmelze heraus, Zusatz von Impfkristallen zur Schmelze),