Was ist etwas das Materialwissenschafts- und Metallurgieingenieure wissen und andere nicht?
Üblicherweise benennt man Metalle und Legierungen mit einem einfachen Namen und hat dann eine Vorstellung davon, um was es sich handelt. Tatsächlich sind jedoch - abgesehen von den Edelmetallen - niemals reine Metalle im Einsatz. Es handelt sich immer um Legierungen, die zwar umgangssprachlich mit einem Sammelbegriff benannt werden, die jedoch in der Regel ein schier gigantisches Spektrum an Eigenschaften abdecken.
Die Eigenschaften der Legierungen werden sowohl von ihren Bestandteilen (Elementen), als auch von der Art der Wärmebehandlung geprägt.
Bei verschiedenen Temperaturen bilden sich in den Legierungen - in Abhängigkeit von ihren Bestandteilen - sehr unterschiedliche Kristall Formen aus, die jeweils auch sehr unterschiedliche Materialeigenschaften haben. Durch gezielte Beeinflussung der Geschwindigkeit der Abkühlung können so Kristallformen bei Raumtemperatur erzeugt werden, die bei einer langsamen Abkühlung niemals entstehen würden.
Man glaubt immer, dass eine Legierung irgendwie etwas total simples ist, das ist jedoch nicht der Fall. Das folgende Bild zeigt ein Phasendiagramn von Messing. Man kann erkennen, dass die sich ausbildenden Phasen extrem von der Temperatur sowie dem Verhältnis von Kupfer und Zink abhängig sind.
Man erkennt, dass es wirklich viele unterschiedliche Phasen gibt, die hier mit Alpha, Beta, Gamma u. s. w. bezeichnet sind. Jede dieser Phasen hat andere Eigenschaften und die Gesamteigenschaften des Materials (Messing) sind mit bloßem Auge an sich nicht erkennbar. Alles, was irgendwie aus Kupfer und Zink in Form einer Legierung besteht, ist ein Messing, aber was das für ein Messing ist, kann nur der Metallurg, genaugenommen sogar nur der Metallograph sagen.
Nehmen wir noch ein anderes Beispiel, nämlich Bronze. Ich sage mit Absicht ersteinmal nur Bronze, und nicht die Bronzen. Eine klassische Bronze ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn. Hier das Phasendiagramn von Bronze:
Das sieht richtig kompliziert aus, und tatsächlich, die Kristallbildung in Bronzen ist auch sehr kompliziert. Durch unterschiedliche Legierungen und Wärmebehandlungen kann man höchst unterschiedliche Materialeigenschaften erzeugen.
Die Bronzen sind zudem eine schier gigantisch große Familie an Legierungen. So gibt es z. B. Bronzen, in denen zusätzlich noch Nickel enthalten ist. Solche Bronzen haben nochmal vollkommen andere Materialeigenschaften, sie sind härter als Stahl und extrem korrosionsfest; daraus werden Schiffsschrauben gemacht.
Bis heute ist es nicht möglich, die Materialeigenschaften von Legierungen rechnerisch zu ermitteln. Die physikalischen Vorgänge, die zur Ausbildung von bestimmten Kristallstrukturen und Eigenschaften führen, sind dermaßen komplex, dass man sie noch immer nicht final verstanden hat.
Das Finden neuer Legierungen ist ein unglaublich aufwändiger Prozess. Da werden endlose Versuchsreihen gefahren und es wird von Hand ermittelt, wie man bestimmte Kristallstrukturen, die erst bei höheren Temperaturen entstehen, bis hin zur Raumtemperatur "retten" kann.
Für jedes Metall und jede Legierung gibt es unzählige Details, die maßgeblichen Einfluss haben. Von außen ist all dies nicht sichtbar, und eine generische Bezeichnung wie, das ist Bronze, Messing, Gusseisen oder Stahl besagt schlicht überhaupt nichts.
Nehmen wir ein anderes simples Beispiel. Das folgende Bild zeigt einen metallurgischen Schliff von sog. Grauguss oder auch grauem Gusseisen. Man erkennt den im Gefüge eingeschlossenen Kohlenstoff. Dieser Kohlenstoff ist sogar in der Bruchkante zu sehen, sie schimmert gräulich, daher der Name "Grauguss". Diese spitzen Kohlenstoffeinschlüsse haben Vorteile, aber eben auch massive Nachteile, die Spitzen haben eine starke Spaltwirkung, deswegen bricht Grauguss bei mechanischer Biegebelastung. Gusseisenpfannen sollte man nicht fallen lassen.
Dann hat jemand entdeckt, dass sich durch Zugabe von Magnesium in die Gusseisenschmelze das Graphit anders formiert. Es bildet kleine Kügelchen; die Spaltwirkung ist verschwunden, man hat globulitisches oder weißes Gusseisen (eine Bruchkante ist weiß). Eine kleine Menge Magnesium, dem flüssigen Gusseisen zugesetzt hat so eine gewaltige Wirkung - das ist erstaunlich. Hier das Schliffbild, grundsätzlich Gusseisen wie zuvor, aber eben mit anderer Ausbildung des Graphits:
Metallurgie und Metallographie ist eine echte Wissenschaft, und wer sich mit dem Finden neuer Legierungen beschäftigt, der stochert selbst heute noch etwas in der Alchemie herum, denn Legierungen, die mehr als zwei Elemente enthalten, sind selbst heute in weiten Teilen kaum erforscht, weil schon marginale Änderungen der Bestandteile oder der Wärmebehandlung verblüffend andere Eigenschaften erzeugen können.
So ist über die Jahrhunderte hinweg zum Beispiel das "Rezept" zur Herstellung der Damaszener Klingen (ich meine keine Damast-Klingen) verloren gegangen.
Angeblich waren diesen Klingen so extrem hart, dass man mit der Schneide auf einen Stein hauen konnte, ohne dass es eine Scharte gab, gleichzeitig waren sie so extrem elastisch, dass man sie von der Spitze bis zum Heft biegen konnte und sie nach dem Loslassen die alte Form einnahmen.
Es gibt Aufzeichnungen, wie diese Klingen hergestellt wurden, diese Aufzeichnungen klingen mehr nach Magie als nach Metallurgie. "Schmiede das Schwert aus dem Eisen von…, bringe es bei Nacht auf eine Temperatur, dass es so glüht wie der erste Vollmond im Frühling und kühle die Klinge ab, indem Du sie in den Wind hältst und auf Deinem Hengst durch die Steppe reitest"
Als Nicht-Metallurg denkt man sich "so'n Unsinn". Der Fachmann "sieht jedoch" Helligkeit des Lichts des Vollmondes zu einer bestimmten Jahreszeit an einem bestimmte Ort im Vergleich zum Glühen des Metalls entspricht einer bestimmte Temperatur. Die Abkühlung des Stahls dadurch, dass man auf dem Rücken eines bestimmtes Pferdes zu einer besonderen Jahres- und Tageszeit in einem bestimmten Gebiet reitet, erzeugt eine spezielle Form der Abkühlung und damit einhergehend besondere kristalline Strukturen. Damit können Materialeigenschaften erzeugt werden, die wirklich nur unter quasi vergleichbaren Bedingungen entstehen. Das ist kein Voodoo, das ist Jahrhunderte alte Metallurgie, die man heute nicht mehr herstellen kann, weil es die Rahmenbedingungen nicht mehr gibt, und man sie auch nicht künstlich herstellen kann, da man diese Umweltbedingungen von damals gar nicht kennt.
Metallurgie und Metallographie sind unglaublich faszinierende Gebiete - und übrigens, ich habe ein Examen als Metallograph gemacht, das ist aber über 35 Jahre her, es war mein Einstieg ins Berufsleben.
Nachtrag: Ich könnte wohl dutzende von Geschichten über die unendlichen Details und Auswirkungen alleine der Wärmebehandlung von Stählen erzählen und wie wir z. B. in den Vorlesungen zusammengefaltet wurden, weil wir nicht auf Anhieb im Schliffbild eines Stahls die mehrfachen Wärmebehandlungen, einhergehend mit schlussendlich sehr detaillierten Materialeigenschaften erkannt haben. "Jetzt hatten Sie schon vier Semester Metallkunde bei mir und sie können noch immer nicht erkennen, dass dieser Stahl hintereinander drei Mal gehärtet und angelassen wurde, das ist wirklich erbärmlich". Irgendwie war es kein Wunder, dass von den anfänglich über 40 Studies nur rund ein halbes Dutzend im ersten Durchgang das Examen geschafft hatten. Ich war einer von dem halben Dutzend.