Der kristalline Aufbau der Metalle

WERKSTOFFKUNDE

 Einleitung    (http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/was_heisst/text/text1.html)

Hephaistos, der Sohn von Zeus und Hera, war lahm und unbeholfen, wenn nicht gar sozial inkompetent - die entsetzten Eltern warfen ihn voll Schreck aus dem Olymp. Er überlebte aber und bekam schließlich sogar die Liebesgöttin Aphrodite als Frau, immerhin das Beste was die Antike zu bieten hatte.

 Warum? Nun, Hephaistos war Materialwissenschaftler (damals nannte man das Schmied) und die Götter waren von ihm abhängig. Auch in der Ilias - siehe oben - ist die Reihenfolge klar: Erst das Erz, dann die Weiber.

 Genauer betrachtet war Hephaistos nicht Materialwissenschaftler, sondern Werkstoffkundler - wie auch Mime, Wieland der Schmied oder die vielen anderen Sagengestalten, die magische Schwerter oder Geschmeide schufen. Sie beherrschten ihr Handwerk nicht durch wissenschaftliche Durchdringung der Materie, sondern sie hatten Kunde von dem Wissen um die Gewinnung und Bearbeitung von Werkstoffen - ein Wissen, das sich im Laufe der Jahrtausende rein empirisch angesammelt hatte.

 Mit der Benutzung und Bearbeitung von Werkstoffen - Feigenblätter, Holz, Knochen, Feuerstein, Bronze - begann zumindest die Zivilisation, wenn nicht gar die Kultur. Das Wissen um die Gewinnung von Werkstoffen, um ihre Bearbeitung, um die damit erschlossenen Eigenschaften, ist so alt wie der homo sapiens und man kann durchaus eine Kulturgeschichte der Menschheit im Spiegel der Werkstoffkunde schreiben /1/.

 Verweilen wir noch kurz beim Schmied, schauen wir zu wie Siegfried sein Schwert Notung schmiedet. Nachdem er das Rohmaterial „Stahl“ geschmolzen hat (hat er aber nicht! ) gießt er die Schmelze in eine Schwertform; nach dem Erstarren hat er eigentlich schon ein Schwert. Ein Chemiker, der eine Probe nähme, fände im wesentlichen Eisen mit ein bißchen Kohlenstoff und Spuren von den restlichen Elementen. Siegfried ist aber kein Chemiker, er ist Schmied und Werkstoffkundler, im Nebenberuf noch Held. Er weiß, daß sein Schwert im Kampf gegen Drachen sofort brechen würde, es ist spröde. Also wird das Schwert jetzt geschmiedet. Es wird heiß gemacht, er klopft unter Gesang mit einem Hammer darauf herum („Schmiede, mein Hammer, ein hartes Schwert“), er stößt es zischend in kalte Flüssigkeiten, klopft wieder darauf herum, und erhält schließlich, falls er alles richtig macht, ein Schwert, das nicht mehr spröde ist, sondern fest, elastisch und mit scharf bleibender Klinge – eben „hart“. Einige Eigenschaften des Schwerts sind jetzt ganz anders als vor dem Schmieden. Einige, nicht alle. Manche Eigenschaften, zum Beispiel der Schmelzpunkt, haben sich nicht geändert.

Ein Chemiker, der jetzt eine Probe nähme, fände im wesentlichen Eisen mit ein bißchen Kohlenstoff und Spuren von den restlichen Elementen - exakt dasselbe wie vor dem Schmieden.

 Das Schmieden hat offensichtlich einige Eigenschaften des Materials „Stahl“ massiv verändert. Was aber hat sich denn im Material geändert? Was ist jetzt anders, wenn man genau hinschaut, zum Beispiel mit einem Elektronenmikroskop. Offensichtlich nicht die Zusammensetzung, sondern die Struktur. Die Frage ist also: Welche strukturellen Besonderheiten bestimmen wesentliche Eigenschaften des Materials Stahl (und, wenn wir gleich verallgemeinern, der Materialien Feuerstein, Granit, Bronze, Porzellan, Aluminium, Silizium, Yttrium-Barium-Kupferoxid /2/)? Ein Rätsel, das sehr alt ist, mit dem die Menschheit aber ganz gut leben konnte. Größere Bauwerke - von den Pyramiden (ein Produkt der frühen Naturkeramik- Industrie) bis zum Eiffelturm - und feinste Instrumente, zum Beispiel Taschenuhren, entstanden, ohne daß irgend jemand gewußt hätte, was die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Materialien bedingt. Aus der Schmiedekunst wurde die Metallurgie, aus der Alchemie die (frühe) Chemie; die Werkstoffkunde wurde wissenschaftlich in ihren Methoden, aber sie stand immer noch auf dem Fundament der Empirie, der Phänomenologie.

 

Eine erste richtige Anwort auf das Rätsel gaben Leukipp und Demokrit vor gut 2.500 Jahren: Die Kombination von endlich vielen Atomen (der chemische Teil) in unterschiedlichen Anordnungen (der strukturelle Teil) bestimmt das Material und seine Eigenschaften. Leider ist die Atomhypothese aber für längere Zeit untergegangen; durchgesetzt hat sich Aristoteles, der, zumindest soweit es die Materialwissenschaft betrifft, ziemlichen Unsinn verbreitete. Die Menschheit mußte Jahrtausende warten, bis schließlich in den 30er Jahren unseres Jahrhunderts der Schlüssel für die Antwort auf das Schmiederätsel gefunden wurde. Sie ist einfach, hat aber unüberschaubare Konsequenzen, und lautet in extremer Vereinfachung:

 

 

Viele Materialien (darunter alle Metalle) sind Kristalle.

Defekte im kristallinen Aufbau bestimmen viele der wichtigen Eigenschaften.

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