Viele Werkstoffe liegen im festen Zustand vor, ebenfalls lassen sich alle Stoffe außer Helium bei tiefer Temperatur und/oder hohem Druck in den festen Zustand überführen. Zusätzlich unterscheidet sich der feste Zustand von den beiden anderen Aggregatzuständen (flüssig und gasförmig) dadurch, dass sich die Atome bzw. Moleküle nicht mehr stark bewegen können, was zu deutlich anderen Eigenschaften führt.
Oft hört man, dass alle Werkstoffe im festen Zustand kristallin sind. Dies ist nicht ganz richtig. In der Regel sind die Atome im festen Zustand regelmäßig in einer Netzwerkstruktur angeordnet. Hierbei spricht man dann von einem kristallinen Zustand. Es ist aber auch möglich, dass die Atome oder Ionen nicht regelmäßig in einem dreidimensionalen Gefüge angeordnet. Liegt dieser Zustand vor, so spricht man vom amorphen Zustand. Die Struktur des amorphen Zustandes lässt sich mit der einer Flüssigkeit vergleichen, nur dass die Bewegungen der Moleküle “eingefroren” sind, aber ohne zu kristallisieren. Alle festen Werkstoffe sind entweder kristallin oder amorph, so gibt es drei Möglichkeiten:
Unter einem kristallinen Bereich versteht man dabei eine periodische wiederkehrende Atomanordnung mit charakteristischer Symmetrie.
Wie bereits erwähnt, sind im kristallinen Zustand sind alle Atome oder Ionen regelmäßig angeordnet. Dies kann man sich z.B gut an einem Ionengitter vorstellen, wo alle Ionen im Gitter regelmäßig angeordnet sind. Dabei besteht jeder Kristall wiederum aus periodisch wiederkehrenden Atomanordnungen. Diese kleinste Baueinheit wird als Elementarzelle bezeichnet. Viele Metalle kristallisieren kubisch, die Elementarzelle ist würfelförmig (lat. Kubus), d.h. alle Kanten sind gleich lang und die Winkel sind alle 90°. Bei diesem Zustand spricht man auch von einem kubischen Kristallsystem, wobei sich zwei Typen unterscheiden lassen:
Neben den kubischen Kristallsystemen gibt es auch noch andere Kristallsysteme, wobei “hexagonal” ein wichtiges, weiteres Kristallsystem ist . Diese Kristallsysteme unterscheiden sich anhand der Form der Elementarzelle (z.B. sechskantige Form bei der hexagonalen Struktur). Die meisten Metalle lassen sich aber einem der einfachen drei Strukturtypen kubisch innenzentriert, kubisch flächenzentriert oder hexagonal zuordnen.
Einfluss auf die Eigenschaften des Werkstoffes:
Wie bereits in der Einleitung erwähnt, hat der innere Aufbau eines Werkstoffes erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften dieses Werkstoffes. Im Gegensatz zu einer Flüssigkeit sind im Kristall alle physikalischen Eigenschaften davon abhängig, in welcher Richtung man den Kristall betrachtet. Dies bezeichnet man auch als anisotrop.
Einige Werkstoffe können auch im amorphen Zustand vorliegen, dabei sind die Atome, Ionen oder Moleküle ähnlich wie in einer Flüssigkeit aneinander gebunden, ohne dass über sehr große Bereiche eine Ordnung zu erkennen wäre (Nahordnung, aber keine Fernordnung).
Bestes Beispiel ist Glas, dass hauptsächlich aus SiO2 besteht. In der dreidimensionalen Netzstruktur ist dabei jedes Si-Atom von vier O-Atomen umgeben. Aber nicht jedes O-Atom von zwei Si-Atomen, da einige Sauerstoffatome Natrium- Ionen als Nachbarn haben. Hierbei wird ersichtlich, dass man die (dreidimensionale) Struktur nicht durch Aneinanderreihen von Elementarzellen aufbauen kann.
Einfluss auf die Eigenschaften des Werkstoffes:
Der feste Zustand bezeichnet die Phase einer Substanz, in der die Partikel fest miteinander verbunden sind und einen festen Form behalten.
Im festen Zustand haben die Partikel eine geordnete Struktur und sind so eng zusammen, dass sie nur vibrieren, aber nicht frei fließen können wie in den flüssigen oder gasförmigen Zuständen.
Ein fester Stoff behält seine Form und sein Volumen bei, hat eine hohe Dichte und lässt Licht durch, ohne es zu zerstreuen.
Die Partikel in einem festen Stoff sind eng und regelmäßig angeordnet in einem Muster, das als Kristallgitter bezeichnet wird.
Wenn ein fester Stoff erwärmt wird, nehmen die Vibrationen der Partikel zu, was zu einer Erweichung oder Schmelzen des Stoffes führen kann.
Der Übergang von einem festen Zustand zu einem flüssigen Zustand wird als Schmelzen bezeichnet.
Die Schmelztemperatur ist die Temperatur, bei der ein fester Stoff schmilzt und in einen flüssigen Zustand übergeht.
Wenn ein fester Stoff genug Energie erhält, um den flüssigen Zustand zu überspringen, geht er direkt in den gasförmigen Zustand über, ein Prozess, der als Sublimation bezeichnet wird.
Beispiele für den festen Zustand im Alltag sind Gegenstände wie Stühle, Tische, Bücher usw. Sie behalten ihre Form und ihr Volumen bei unabhängig von der Umgebung.
Im Allgemeinen hat Druck wenig Auswirkungen auf einen festen Stoff, da dessen Partikel bereits eng zusammengepresst sind und sich nicht leicht komprimieren lassen.