Materialwissenschaft und Werkstofftechnik: Ein Ritt auf der Rasierklinge

290 Pages·2015·12.864 MB·German

by  Klaus Urban (auth.)

Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Klaus Urban
Materialwissenschaft
und Werkstofftechnik
Ein Ritt auf der Rasierklinge
Klaus Urban
Eichwalde
Deutschland
Planung Rainer Münz
ISBN 978-3-662-46236-2 ISBN 978-3-662-46237-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-46237-9
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Meiner Enkelin Gina
Vorwort
Mein Hauptanliegen ist es, Abiturienten zu motivieren, sich für das Studium eines
Faches zu entscheiden, von dem die meisten in der Schule nie etwas gehört haben
und das auch in der öffentlichen Wahrnehmung, gemessen an seiner Bedeutung
für unser Leben, stark unterbelichtet ist: Die Materialwissenschaft und Werkstoff-
technik. Außerdem möchte ich Studienanfängern, auch anderer technischer Stu-
dienrichtungen, helfen, sich auf diesem breiten und vielfältig differenzierten Gebiet
rasch zurechtzufinden und Zusammenhänge zu erkennen, die für einen Einsteiger
zunächst nicht offensichtlich sind.
Das vorliegende Buch ist deshalb anders angelegt als Lehrbücher, die der Aus-
bildung von Werkstofffachleuten auf verschiedenen Stufen und speziellen Gebieten
ihres Studiums dienen. Zwar vermittelt es ebenfalls Faktenwissen und Wissen über
Teilgebiete der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, aber nur in dem Um-
fang und in der Tiefe, die notwendig sind, die Gesamtstruktur und die Dynamik
dieses Fachgebietes zu verstehen.
Meinem Anliegen entsprechend habe ich es nicht unpersönlich geschrieben, wie
es für Lehrbücher üblich ist, sondern spreche den Leser direkt an, animiere ihn zum
Mitdenken und bringe ihm die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik nicht
nur als akkumuliertes Wissen, sondern als einen sich entwickelnden Organismus
nahe, der von der oft aufopferungsvollen, manchmal auch mit Enttäuschungen ver-
bundenen, aber immer faszinierenden Arbeit von Forschern lebt. Und ich stelle die
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in gesellschaftliche, wirtschaftliche
und wissenschaftliche Zusammenhänge, die ihre Entwicklung fördern sowie die
Nutzung ihrer Ergebnisse beschleunigen oder auch hemmen können, die Chancen
eröffnen, aber auch Risiken in sich bergen, über die ein Hochschulstudent, zumal
ein angehender Werkstofffachmann, nachdenken sollte.
Ich habe den Inhalt des Buches anders gegliedert als es in Lehrbüchern der Ma-
terialwissenschaft und Werkstofftechnik gängig ist, die nicht vordergründig für den
Zweck geschrieben sind, sie Jugendlichen verständlich und schmackhaft zu ma-
chen. Mein ordnender Grundgedanke ist, ausgehend von den Spuren einer uralten
Kulturtechnik zu schildern, wie dieses Fachgebiet vom Handwerk zur Wissenschaft
geworden ist. Dann exemplarisch zu zeigen, dass „Hightech“, auf die wir heute
tagtäglich und überall angewiesen sind, ohne sie höchstens eine reizvolle Idee wäre,
die niemals hätte zünden können. Und schließlich einen Ausblick zu wagen, wohin
sie sich entwickeln könnte.
VII
VIII Vorwort
Das Buch wendet sich jedoch nicht nur an „Kandidaten“ der Materialwissen-
schaft und Werkstofftechnik. Es soll dieses Fachgebiet darüber hinaus auch einer
breiteren Öffentlichkeit näher bringen, vor allem jenen, die als Aufklärer und Rat-
geber Einfluss auf die Studienwahl von Abiturienten haben: Journalisten, Lehrer
und nicht zuletzt Eltern, die ihren jugendlichen Kindern bei der Wahl eines Studi-
enfaches zur Seite stehen möchten, das deren Interessen und Fähigkeiten entspricht
und das ihnen vielfältige berufliche Entwicklungswege eröffnet. Wenngleich ein
Hochschulstudium mehr sein sollte als eine Art gehobener Berufsausbildung.
Ich danke dem amtierenden Vorstandsmitglied der Deutschen Gesellschaft für
Materialkunde, Herrn Dr.-Ing. Fischer, dass er mein Manuskript an den Springer-
Verlag vermittelt hat. Dem Cheflektor, Herrn Dr. Münz, danke ich dafür, dass er
es ohne zu zögern aufgegriffen und für die schnelle Realisierung dieses Buches
gesorgt hat. Frau Saglio habe ich für das verständnisvolle Management dieses Pro-
jektes zu danken sowie Herrn Neuert für sein Engagement bei der grafischen Ge-
staltung der Bilder und bei der Einholung notwendiger Genehmigungen für ihre
Verwendung. Mein besonderer Dank gilt aber vor allem meiner Frau Monika. Ohne
sie hätte ich dieses Buch nicht schreiben können. Sie hat mir mit erstaunlicher Ge-
duld den notwendigen Freiraum dafür geschaffen und mich auf jede nur erdenkliche
Weise unterstützt. Nicht zuletzt war sie „Testleserin“ meines Manuskripts, die mir
sehr geholfen hat, manche Sachverhalte verständlicher zu beschreiben, übermäßig
komplexe Formulierungen zu vereinfachen und bestimmte Zusammenhänge deut-
licher zu machen. Nicht zuletzt danke ich allen Fachkollegen, die mir freundlicher-
weise Bilder zur Veröffentlichung überlassen haben.
Oktober 2014 Klaus Urban
Begleitwort
Liebe Leserin, lieber Leser,
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (MatWerk) ist kein Unterrichts-
fach. Das ist traurig, aber wahr. Dabei müsste MatWerk, seiner Bedeutung gemäß,
eigentlich längst in den Lehrplänen unserer Schulen und in den Leistungskursen
der gymnasialen Oberstufe fest verankert sein, um effektiv auf ein weiterführendes
Studium vorzubereiten. Immerhin bietet der Studiengang Materialwissenschaft und
Werkstofftechnik, der 40 Hochschulen in Deutschland vereint, für Abiturientinnen
und Abiturienten bestmögliche Karrierechancen. Tatsächlich gibt es keinen Indust-
riezweig in Deutschland, aber auch in Europa und den USA, der im internationalen
Wettbewerb nicht auf neue Materialien und Werkstoffe angewiesen wäre. Mehr als
70 % des Bruttosozialproduktes in westlichen Industrienationen sind auf die Ent-
wicklung neuer Materialien zurückführen. Vor allem in den großen Zukunftsfeldern
Mobilität, Kommunikation, Energie, Gesundheit und Sicherheit führt kein Weg an
MatWerk mehr vorbei.
Eigentlich war das aber schon immer so. Von der Zündkerze über den Diesel-
motor bis zur Magnetschwebebahn, vom Segelflieger über das Düsentriebwerk bis
zum Hubschrauber, von der Chipkarte bis zum Airbag, von der Kathodenstrahlröhre
bis zu LCD-Flüssigkristallbildschirmen, von bioresorbierbaren Stents bis zu Den-
talimplantaten wären Neuerungen ohne Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
überhaupt nicht möglich gewesen. Erfinder wie Robert Bosch, Rudolf Diesel, Karl
Ferdinand von Braun und Otto Lehmann haben auf neue Materialentwicklungen
zurückgegriffen, um ihre Ideen in die Tat umzusetzen. Und der erste Mensch, der
einen Steinkeil schlug, um ihn als Werkzeug zu benutzen, betrieb Materialwissen-
schaft und Werkstofftechnik, ohne es zu wissen.
An der Entwicklung von MatWerk entlang lässt sich also nicht nur die gesamte
Geschichte der Technik, sondern sogar die Kulturgeschichte der Menschheit vom
Urbeginn an erzählen. Zivilisationshistorische Epochenbezeichnungen wie Stein-,
Eisen- oder Bronzezeit weisen darauf hin, und die astronomisch sensationelle
„Himmelsscheibe von Nebra“ ist nicht zuletzt ein Meisterwerk materialkundlicher
Behandlung. An diesem Punkt setzt Klaus Urbans faszinierender „Ritt auf der Ra-
sierklinge“ durch die Geschichte der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
an – und führt seine Leserinnen und Leser bis hin zu den aktuellen MatWerk-Aben-
teuern im Bereich der kleinsten Nanoteilchen oder beim digitalen „Werkstoffdesign
2.0“. Dabei wird auch deutlich, wie viel Schulwissen von Physik über Chemie bis
IX
X Begleitwort
hin zu Mathe oder Geschichte in MatWerk steckt – ein Allgemeinwissen, auf das
jeder MatWerk-Student später zurückgreifen kann.
Ein wenig entschädigt Urbans „Ritt auf der Rasierklinge“ also auch dafür, dass
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik auf den Lehrplänen der Gymnasien
nicht zu finden ist. Dass das Buch dabei auch noch fesselnder und spannender da-
herkommt als gewöhnlicher Schulunterricht, macht die Lektüre umso wertvoller.
MatWerk sei für ihn „das faszinierendste Fachgebiet, das man sich denken kann“,
schreibt Urban in der Einleitung seines Buches. Ich finde es wundervoll, dass diese
Begeisterung in jeden Satz mit eingeflossen ist – und so, hoffentlich, auch möglichst
viele Leserinnen und Leser an der Schwelle zum Studium, aber auch als der so ge-
nannten interessierten Öffentlichkeit „infiziert“.
„Materialisierung von Ideen“ lautet das Motto der Deutschen Gesellschaft für
Materialkunde e. V. (DGM), deren Geschäftsführendes Vorstandsmitglied ich bin.
Auf wie vielfältige Arten und Weisen diese Ideen in der Materialwissenschaft und
Werkstofftechnik Form annehmen können, macht Klaus Urbans „Ritt auf der Ra-
sierklinge“ besonders unterhaltsam anschaulich. Ein solches einführendes Buch
hätte ich mir zu Beginn meines Maschinenbaustudiums am Institut für Werkstoff-
technik in Siegen gewünscht. Jetzt lege ich es Ihnen sehr ans Herz.
Vielleicht regt Sie die Lektüre ja auch an, selbst MatWerk zu studieren. Damit
auch aus Ihren Ideen vielleicht einmal Werkstoffe und Materialien werden.
In diesem Sinne wünsche ich Ihnen eine anregende, spannende – und nicht zu-
letzt lehrreiche – Lektüre.
Ihr Frank O.R. Fischer
Dr.-Ing. Frank O.R. Fischer hat vor dem Abitur zunächst Tischler gelernt und
sich im Anschluss für ein Maschinenbau-Studium entschieden. Im zweiten Semes-
ter begann er als studentische Hilfskraft am Institut für Werkstofftechnik in Siegen,
wo er schließlich auch promovierte. Heute setzt sich Fischer als Geschäftsführendes
Vorstandsmitglied der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde e. V. besonders
für die Förderung des Nachwuchses ein.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Der Weite Weg Zur Werkstoffwissenschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 H öllenqualen für einen Kuss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 D ie Spur der Steine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Z wei biblische Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 D er Siegeszug des Eisens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 I nitialzündung für die Werkstoffwissenschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.6 D as A und O der Werkstoffwissenschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.7 E in Maurer veredelt den Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.8 E in entscheidender Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.9 E in folgenreicher Irrtum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.10 Auf Messers Schneide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.11 Verdächtige Superstars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
2.12 Auf Sand gebaut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3 Werkstofffachleute – Die Hightech-Macher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.1 H eiße Typen zum Abheben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.2 W ie im Himmel, so auf Erden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3.3 Z urück zur Natur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
3.4 T rickreiche Gedächtnisakrobaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
4 Vorstoß der Werkstoffwissenschaft in die Nano-Welt . . . . . . . . . . . . . 207
4.1 Berauschende Winzlinge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
4.2 M r. Fullers Fußbälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
4.3 G erollte Verwandte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
4.4 A uf den Punkt gebrachte Bekannte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
4.5 A ugen zum Sehen und „Baggern“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
4.6 Ehre, wem Ehre gebührt? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
XI