Materialwissenschaft und Werkstofftechnik

Die Begriffe Materialwissenschaft und Werkstoffkunde (auch als Werkstofftechnik oder Werkstoffwissenschaft[1] bezeichnet) sind eng miteinander verknüpft: Die Materialwissenschaft mit einer eher naturwissenschaftlich geprägten Herangehensweise beschäftigt sich mit der Herstellung von Materialien und deren Charakterisierung von Struktur und Eigenschaften, während die Werkstofftechnik die ingenieurwissenschaftlich orientierte Werkstoffentwicklung sowie die entsprechenden Verarbeitungsverfahren und das Betriebsverhalten von Bauteilen im Einsatz beinhaltet. Beide Teilgebiete umfassen Forschungsaktivitäten der verschiedensten Materialklassen und Werkstoffentwicklungsketten.

Ein wesentliches Merkmal der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ist die Berücksichtigung des strukturellen Aufbaus der Werkstoffe und der davon abhängigen mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften. Dies umfasst die Charakterisierung, Entwicklung, Herstellung und Verarbeitung von Konstruktionswerkstoffen und Funktionsmaterialien.

Das Fachgebiet setzt sich aus der erkenntnisorientierten Grundlagenforschung zu Materialien und der ingenieurwissenschaftlichen Werkstoffentwicklung mit Anwendungsbezug zusammen. Es entfaltet dabei eine starke Hebelwirkung im Sinne einer Umsetzung von Forschungsergebnissen in marktrelevante Innovationen. Gleichzeitig hat Materialwissenschaft und Werkstofftechnik als interdisziplinäre Wissenschaft eine weitreichende fachliche Integrationswirkung, in dem sie Erkenntnisse aus benachbarten Fachgebieten aufgreift und mit ihnen in wechselseitiger Beziehung steht. Für die Materialwissenschaft sind hier insbesondere die Verknüpfungen mit der Chemie, der Physik und den Lebenswissenschaften zu nennen, während für die Werkstofftechnik die Gebiete Mechanik, Konstruktionstechnik, Produktionstechnik und Verfahrenstechnik relevant sind.

Heute sind materialwissenschaftliche und werkstofftechnische Themen integraler Bestandteil des Studiums in praktisch allen ingenieurwissenschaftlichen Bereichen, vorwiegend im Maschinenbau und in der Elektrotechnik, aber auch in den naturwissenschaftlichen Gebieten der Physik und Chemie und zunehmend in der Medizin. Inzwischen hat sich die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik als eigenständige Disziplin nicht nur in der Forschung, sondern auch in der universitären Lehre fest etabliert.[2]

Das Fachgebiet versteht sich als Schlüsseldisziplin, die eine Vielzahl von Lösungen für gesellschaftlich relevante Herausforderungen bereitstellt, namentlich in den großen Zukunftsfeldern Energie, Klima- und Umweltschutz, Ressourcenschonung, Mobilität, Gesundheit, Sicherheit oder Kommunikation. Aktuelle Studien betonen den überragenden Anteil aller technischen Innovationen, die direkt oder indirekt von Werkstoffen abhängen.[3]

Die aus der Materialwissenschaft gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen die Herstellung technischer Werkstoffe mit neuen oder verbesserten Eigenschaften. Die Eigenschaften eines Bauteils sind von der Werkstoffauswahl, von der konstruktiven Gestaltung des Bauteils, dem Herstellungsprozess und den betrieblichen Beanspruchungen im Einsatz abhängig. Dies schließt den gesamten Lebenszyklus von Bauteilen bis zum Recycling oder zur stofflichen Weiterverwertung ein. Auch die Entwicklung völlig neuer Herstellungsverfahren zählt dazu. Ohne diese stetigen Forschungsergebnisse wäre ein kontinuierlicher Fortschritt zum Beispiel im Maschinenbau, im Automobilbau, in der Luftfahrtindustrie, in der chemischen Industrie, in Medizintechnik, in der Energietechnik, im Umweltschutz usw. nicht denkbar.[2]

Eine Schwert- oder Dolchklinge aus der späten Bronzezeit

Die Geschichte der Werkstoffe und Materialien ist wesentlich älter als das Fachgebiet. Dabei vollzog sich der Erkenntnisfortschritt zunächst in der konkreten Anwendung von Materialien im Alltag. Von der Steinzeit bis zum siebten vorchristlichen Jahrtausend wurden natürliche Materialien wie Elfenbein, Felle, Häute, Hölzer, Knochen, Rinden oder Steine zu technischen Zwecken verwendet. Zum Ende der Jungsteinzeit kamen sodann verschiedene chemische und thermische Verfahren zum Einsatz, um Rohstoffe zu höher entwickelten Werkstoffen zu verfeinern (Brennen von Lehm, Gerben von Häuten zu Leder), Schmelzen von Sand zu Glas. Hierzu gehören auch die Erfindung und der Einsatz von Keramik.[2]

In der Folge wurden ganze Menschheitsepochen nach den Funden der sie prägenden Werkstoffe benannt: beginnend mit der Kupferzeit mit der Bearbeitung von Kupfer, Gold und Silber sowie später auch Blei und Zinn. In der Bronzezeit ab dem zweiten vorchristlichen Jahrtausend wurden diese Stoffe gezielt mit anderen vermischt, um neue Eigenschaften zu erzielen: Aus dieser Zeit wurden Werkzeuge und Waffen gefunden, die aus der einer Kupfer-Zinn-Legierung bestehen. In der Eisenzeit, der dritten großen Periode der Frühgeschichte im Europa ab etwa 800 v. Chr., lernten die Menschen, Eisen zu schmelzen und zu Werkzeugen sowie Waffen zu verarbeiten. Aus der Technikgeschichte zum Bergbau und Hüttenwesen und den metallverarbeitenden Handwerken ist bekannt, dass Spezialisten Hochöfen, Raffinierwerke, Hammer- und schließlich Walzwerke immer weiter verbesserten.[2]

Lange Zeit beschränkte sich das Interesse der Forschung fast ausschließlich auf die metallischen Werkstoffe. Dennoch konnten Metalle bis zur Hochindustrialisierung in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts nur empirisch untersucht werden. Mitte des 19. Jahrhunderts begann die systematische Erforschung der Eigenschaften von Stahl, Eisen oder Leichtmetallen wie Aluminium sowie von keramischen Werkstoffen, woraus sich der Begriff der Werkstoffkunde entwickelt hat. Die Erkenntnisse daraus ermöglichten die Entwicklung von Werkstoffen entsprechend den von der Industrie geforderten Eigenschaften. Diese werden mit der Werkstoffprüfung als einem wesentlichen Teil der Werkstoffkunde ermittelt. Das 20. Jahrhundert war geprägt durch eine ständig steigende Vielfalt an Werkstoffen. So wurden in den 1930er-Jahren die ersten Kunststoffe in Massenfertigung produziert. Seit den 1950er-Jahren haben mit der Erfindung des Transistors das Silizium und andere Halbleitermaterialien eine wesentliche Bedeutung gewonnen.

Die wissenschaftliche Disziplin, die sich mit Werkstoffen als Gegenstand universitärer Ausbildung befasst, hat sich zu Beginn des 20. Jahrhunderts an technischen Hochschulen aus Metallurgie und Hüttenwesen, der Materialprüfung sowie an einigen Universitäten aus Physik, Chemie und Mineralogie heraus entwickelt. Erst mit den zu dieser Zeit aufkommenden analytisch-experimentellen Untersuchungsmethoden konnten kristalline Festkörper quasi durchdrungen werden: So entstand die moderne Metallografie. Zur selben Zeit wurden für Arbeitsprozesse auch immer leistungsfähigere und gleichzeitig leichtere Maschinen und Geräte notwendig. Daher begann auch die Konstruktionslehre, sich für die Möglichkeiten neuer Werkstoffe zu interessieren. Diese Fächer waren in industriellen Forschungsinstituten, an Universitäten, Technischen Hochschulen und verschiedenen öffentlichen Anstalten wie etwa den staatlichen Materialprüfungsämtern, der Reichsanstalt (später Bundesanstalt) für Materialprüfung[4] oder der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (später Bundesanstalt)[5] beheimatet. Hinzu kamen technisch-wissenschaftliche Vereine wie der Verein Deutscher Eisenhüttenleute (gegr. 1880),[6] die Gesellschaft Deutscher Metallhütten- und Bergleute (gegr. 1912; heute Gesellschaft für Bergbau, Metallurgie, Rohstoff- und Umwelttechnik e. V.)[7] sowie die Deutsche Gesellschaft für Metallkunde (gegr. 1919; heute Deutsche Gesellschaft für Materialkunde).[8]

Inzwischen hat sich für die Disziplin in Forschung und Lehre (nach Werkstoffkunde und Werkstoffwissenschaft) die Begriffe Materialwissenschaft und Werkstofftechnik etabliert.

Das Fachgebiet Materialwissenschaft und Werkstofftechnik umfasst zahlreiche Material- und Werkstoffklassen, die jeweils für sich starke Bedeutung in Forschung und Entwicklung sowie in der Anwendung erlangt haben. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Einteilung der Material- und Werkstoffklassen vorzunehmen. Die traditionelle Einteilung in Glas/Keramik, Metalle und Polymere ist dadurch weitgehend überholt.

Eine Möglichkeit der Klassifizierung nach aktuellem Stand ist:

• Metallische Werkstoffe: Eisen und Stahl, Nichteisenmetalle (z. B. Leichtmetalle, Buntmetalle)
• Nichtmetallisch anorganische Werkstoffe: Keramik, Glas, anorganische Bindemittel
• Polymere: Kunststoffe, Naturstoffe
• Halbleiter
• Kohlenstoffbasierte Materialien, wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Graphen.

Eine übliche Klassifizierung erfolgt in Konstruktionswerkstoffe, deren mechanische Eigenschaften im Vordergrund stehen, und Funktionsmaterialien, bei denen vorwiegend andere physikalisch-chemische (z. B. elektrische, thermische, optische, magnetische) Eigenschaften genutzt werden. Hinzu kommen neuerdings Material- und Werkstoffklassifikationen, die eine Kategorisierung über die Funktion als Eigenschaft vornehmen.

Beispiele dafür sind:

• Biomaterialien
• „Smart Materials“, wie Formgedächtnislegierungen oder Materialien mit sensorischen Eigenschaften
• Supraleiter

Die Eigenschaft eines Materials oder Werkstoffs wird nicht nur durch seine chemische Zusammensetzung bestimmt, sondern durch Strukturierung auf allen Größenskalen.

Beispiele dafür sind:

• Beschichtungen
• Biomimetische Materialien
• Gradientenwerkstoffe
• Hybridmaterialien
• Metamaterialien
• Nanomaterialien
• Schäume (z. B. Metallschaum) und zellulare Materialien
• Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde
• Viellagenschichten

Durch das breite Spektrum seiner Thematiken und die vielseitigen Anknüpfungsmöglichkeiten zu anderen Disziplinen bietet das Fachgebiet der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik viele Berufsaussichten in der freien Wirtschaft, in Forschungsinstituten, an Hochschulen, technischen Überwachungsanstalten sowie im öffentlichen Dienst, beispielsweise in Materialprüfämtern. Die Tätigkeitsfelder in der Industrie umfassen sämtliche Bereiche von der Gewinnung und Veredelung über die Herstellung und Verarbeitung bis hin zum Recycling von Werkstoffen. Dazu zählen zahlreiche Tätigkeiten in der Forschung und Entwicklung, Simulation und Modellierung, Konstruktion und Berechnung, Herstellung und Verarbeitung sowie in der Qualitätssicherung, Schadensanalyse und betrieblichen Überwachung.[2]

Zu den beteiligten Branchen gehören unter anderem werkstoffherstellende und -verarbeitende Industrie, Maschinenbau, Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Kunststoffindustrie, chemische Industrie, Elektroindustrie, Energietechnik, Mikroelektronik, Medizintechnik oder Umweltschutz.

Die Bundesvereinigung Materialwissenschaft und Werkstofftechnik e. V. (BV MatWerk) ist der Zusammenschluss von Vereinen und Verbänden der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in Deutschland (BV MatWerk). Das Internetportal des Fachgebiets der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik vereinigt alle relevanten Internetpräsenzen des Fachgebiets unter einem Dach.[68][69]

• Gustav E. R. Schulze: Metallphysik. Ein Lehrbuch. Akademie-Verlag, Berlin 1967, (2., bearbeitete Auflage. Springer, Wien u. a. 1974).
• Hartmut Worch, Wolfgang Pompe, Werner Schatt: Werkstoffwissenschaft. Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2011, ISBN 978-3-527-32323-4.
• Erhard Hornbogen, Gunther Eggeler, Ewald Werner: Werkstoffe Aufbau und Eigenschaften von Keramik-, Metall-, Polymer- und Verbundwerkstoffen. Springer-Verlag, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-71857-4.
• Wolfgang Bergmann: Werkstofftechnik 1 Grundlagen. Hanser Fachbuchverlag, München 2008, ISBN 978-3-446-41338-2.
• Markus J. Buehler, Huajan Gao: Computersimulationen in der Materialforschung. In: Naturwissenschaftliche Rundschau. 57, Nr. 11, 2004, ISSN 0028-1050, S. 593–601.
• James F. Shackelford: Werkstofftechnologie für Ingenieure, Grundlagen – Prozesse – Anwendungen. Pearson Studium, München 2007, ISBN 978-3-8273-7303-8.
• Klaus Hentschel: Von der Werkstoffforschung zur materials science. In: Klaus Hentschel, Carsten Reinhardt (Hrsg.): Zur Geschichte der Materialforschung. Themenheft von NTM. 19, 1, 2011, S. 5–40.

Wikibooks: Werkstoffkunde Metall – Lern- und Lehrmaterialien

• Christian-Albrechts-Universität zu Kiel: Vorlesungsskript zur Einführung in die Materialwissenschaft