Werkstoff

Werkstoffe sind Materialien, die in Produktionsprozessen verarbeitet werden und in die Endprodukte eingehen. In der Regel handelt es sich dabei um Rohstoffe, Hilfsstoffe, Halbzeuge und Halbfertigprodukte.

Die Qualität und die Eigenschaften der Endprodukte oder Fertigprodukte werden durch die Wahl geeigneter Werkstoffe entscheidend beeinflusst. Zur Sicherstellung der Güte (Qualität) werden Werkstoffe im Rahmen der Werkstoffprüfung geprüft.

Einteilung

Voraussetzung für die Herstellung von Gütern, Waren und Werken ist nach der betriebswirtschaftlichen Systematik die Verfügbarkeit von Betriebsmitteln und Werkstoffen. Die Werkstoffe können beispielsweise eingeteilt werden in:

• Roh- und Hilfsstoffe, Halbzeuge und Halbfertigprodukte

oder in

• Haupt- und Nebenstoffe.

In der heutigen Werkstoffkunde unterscheidet man im Allgemeinen fünf Werkstoffgruppen:

• Metalle (zum Beispiel Eisen, Stahl, Kupfer, Aluminium)
• Nichtmetalle (zum Beispiel Graphit, Kohlenstoff)
• organische Werkstoffe (zum Beispiel Holz, Kunststoff)
• anorganische nichtmetallische Werkstoffe (zum Beispiel Keramik, Glas)
• Halbleiter (zum Beispiel Silicium)

Die Verbundwerkstoffe sind Kombinationen aus Werkstoffen mehrerer Werkstoffgruppen.

Eine weitere Einteilungsmöglichkeit unterscheidet

• Struktur- bzw. Konstruktionswerkstoffe
• Funktionswerkstoffe
• Werkzeugwerkstoffe

Geschichte

Der Einsatz von Werkstoffen zieht sich bereits durch die gesamte Vorgeschichte der Menschheit. Das Material für einen Faustkeil (Stein) ist ein Werkstoff und ein Charakteristikum der Steinzeit.

Im 8. Jahrtausend v. Chr. begann die technische Nutzung von Metallen. Zunächst wurde mit gediegenen (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 Zinnerzen voraus. Außerdem waren Verhüttungstechniken 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 Hauptartikel Archäometallurgie).

Parallel dazu wuchs mit der Entstehung von Siedlungen und Städten der Bedarf nach Werkstoffen für das Bauwesen (Stein, Holz), Hieb- und Stichwaffen, Münzen (Metalle) und Haushaltsgegenständen (zum Beispiel Keramikgefäße, Glaskunst).

Eigenschaften

Physikalische Werkstoffeigenschaften

Elektrische Eigenschaften:

• Dielektrizitätskonstante
• Kriechstromfestigkeit
• elektrische Leitfähigkeit

Mechanische Eigenschaften:

• Härte
• Dichte
• Festigkeit, speziell Zugfestigkeit und Druckfestigkeit
• Elastizität
• Plastizität (Duktilität)
• Duktilität
• Risszähigkeit
• Schmelztemperatur
• Steifigkeit

Optisch-akustische Eigenschaften:

• Lichtbrechung
• (metallischer) Glanz
• Reflexion (Glanz)
• Transparenz
• Schallabsorption
• Schallreflexion
• Undurchsichtigkeit

Tribologische Eigenschaften:

• Reibzahl
• Neigung zum Kaltschweißen
• Verschleißwiderstand

Thermische Eigenschaften:

• Wärmeausdehnung
• Wärmeleitung/Wärmeleitfähigkeit
• Warmfestigkeit
• Kaltzähigkeit

Sonstige physikalische Eigenschaften:

• Magnetismus

Chemische Werkstoffeigenschaften

• Korrosionsbeständigkeit
• Säurebeständigkeit
• Laugenbeständigkeit
• Laugenschicht
• Brennbarkeit
• Antimikrobielle Wirkung

Technologische Werkstoffeigenschaften

• Gießbarkeit
• Umformbarkeit
• Zerspanbarkeit
• Oberflächengüte
• Verformbarkeit (plastische und elastische Verformung)
• Schweißbarkeit

Ökologische Werkstoffeigenschaften

• Rohstoffverbrauch bei Herstellung, Transport, Verarbeitung und Gebrauch
• Emissionen durch Herstellung, Transport, Verarbeitung und Gebrauch
• Energieverbrauch bei Herstellung, Transport, Verarbeitung und Gebrauch
• Giftigkeit
• Recyclingfähigkeit

sowie die mögliche Zusammensetzung des Werkstoffes aus verschiedenen chemischen Stoffen

Siehe auch

• Portal Werkstoffe
• Betriebsstoffe
• Nanowerkstoffe

Literatur

• Manfred Merkel, Karl-Heinz Thomas: Taschenbuch der Werkstoffe. Fachbuchverlag, 1994, ISBN 3343008451
• Bundesministerium für Bildung und Forschung (Hrsg.): Werkstoffwelten. Entdeckungen im Kosmos der Stoffe (online)

Weblinks

• Online-Materialinformationssystem werkstoffe.de
• Abkürzungsverzeichnis für Werkstoffe
• Deutsche Gesellschaft für Materialkunde
• Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft (WING)
• Vorlesungsskript Physikalische Werkstoffeigenschaften (TU Dresden)