Einführung

''Material, von spätlateinisch materialis -- das zur Materie gehörende -- allgemein sinnverwandt zu Stoff, Substanz, Werkstoff, im Bereich der Fertigung übliche Bezeichnung für die Roh-, Hilfs und Betriebsstoffe ..., die im Rahmen der Fertigung eingesetzt werden'' (Meyers Lexikon).

Material ist also (fast) alles, was von Menschen eingesetzt wird, um daraus etwas anderes herzustellen. Etwas genauer ist vielleicht der Begriff Werkstoff, der genau dies sagt -- der Stoff, aus dem man ein Werk herstellt. Heute unterscheidet man bei Werkstoffen häufig zunächst zwei Gruppen:

• Funktionswerkstoffe -- das sind alle die Materialien, die für einen Zweck jenseits mechanischer Eigenschaften eingesetzt werden, also z.B. das große Gebiet der Halbleiter, Supraleiter, elektrokeramischen Materialien, Magnetwerkstoffe usw.
• Strukturwerkstoffe -- die Materialien, die für einen im weitesten Sinn mechanischen Zweck, Herstellung einer Struktur eben, eingesetzt werden. Hierzu zählen insbesondere die meisten Einsatzgebiete der Metalle und Polymere, aber auch etwa Beton, Ton, Glas usw.

Natürlich ist eine solche Unterscheidung niemals streng möglich, denn häufig muß ein Kompromiß verschiedener Eigenschaften gefunden werden, wobei mechanische gegen andere Eigenschaften abgewogen werden. Eine Hochspannungsleitung etwa muß natürlich zunächst einen kleinen elektrischen Widerstand haben, andererseits darf sie nicht zu schwer sein, muß über eine möglichst große Länge ihr Gewicht tragen, muß korrosionsfest sein etc.

In dieser Vorlesung soll die Physik von Materialien behandelt werden, wobei praktisch ausschließlich auf Strukturmaterialien eingegangen wird, denn die anderen Gebiete bilden jedes für sich Stoff für eigene Vorlesungen.

Natürlich kann man sich dann fragen, weshalb man nach der Festkörperphysik noch eine eigene Materialphysik braucht. Auch hier ist die Grenze fließend, doch beinhaltet die klassische Festkörperphysik im wesentlichen das Studium perfekter (oder idealisierter) Strukturen, während die Materialphysik die realen Strukturen mit ihren Defekten, die für sehr viele Eigenschaften von zentraler Bedeutung sind, untersucht. Dazu kommen dann in der Materialphysik eine Reihe von Anleihen bei der Thermodynamik/statistischen Physik und bei der Chemie, die für das Verständnis von Phasenumwandlungen und Transportprozessen wichtig sind.

Weiter wird sich die Vorlesung in vielen Fällen auf metallische Materialien beschränken, denn für diese sind die physikalischen Konzepte häufig entwickelt worden. Allerdings sind sie meist so allgemein, daß sie auch auf andere Werkstoffklassen übertragbar sind.

Allerdings soll am Ende des Kurses ein Abschnitt über die nichtmetallischen Werkstoffklassen, also über Polymere, Keramiken und Verbunde stehen. Hier wird es aber nur um Stoffgruppen an Beispielen, um Präparation und um spezifische Probleme gehen.

Die zwei Teile der Vorlesung gliedern sich in

• Strukturen und Thermodynamik im ersten Teil,
• mechanische Eigenschaften im zweiten Teil.

Sie wird beginnen mit den Strukturen und Eigenschaften von Reinmetallen, dann wird der für Metalle zentrale Begriff der Legierung eingeführt. Existenzbereiche von Legierungen, also Phasendiagramme, ihre Erklärung aus thermodynamischen Modellen und ihre Strukturen werden folgen. Anschließend wird es um Transportphänomene im Festkörper, im wesentlichen Diffusion, gehen. Danach soll die Kinetik von strukturellen Phasenumwandlungen im Festkörper, vor allem Entmischungsreaktionen, aber auch nichtdiffusive Reaktionen wie die Bildung von Martensit, behandelt werden.

Der zweite Teil der Vorlesung wird zunächst mit einem Abschnitt über Elastizitätstheorie beginnen, dann werden die Träger der Plastiziät, die Versetzungen mit ihren Reaktionen eingeführt. Daran wird sich ein Teil über mechanische Härtung anschließen, danach das Versagen bei Überbeanspruchung, Bruch und Ermüdung, und schließlich werden Erholung und Rekristallisation, also die Wiederherstellung stark verformter Gefüge behandelt. Am Ende wird schließlich ein Abschnitt über nichtmetallische Werkstoffe stehen, wobei neben einer allgemeinen Übersicht auch auf spezifische Probleme (Sprödigkeit bei Keramiken, Plastizität von Polymeren) eingegangen wird.