Kristalle metallischer Werkstoffe

Kristalle ohne Korngrenzen (siehe unten) heißen Einkristalle. Technische Metalle setzen sich aus einer Vielzahl von Kristallen zusammen. Um diese Kristalle von einem frei (gewachsenem) Einkristall zu unterscheiden, nennt man sie Kristallite oder Körner. Die Gesamtheit der Körner eines Metalls wird als Gefüge bezeichnet und wird durch seine Korngröße und Kornform definiert.

 

Metallische Bindungen sind gekennzeichnet durch die elektrostatischen Kräfte zwischen Atomrümpfen und dem Elektronengas: Einerseits ziehen sich die die positiv geladenen Atomrümpfe und das negativ geladene Elektronengas an, andererseits stoßen sich die Atomrümpfe untereinander ab. Für einen bestimmten Abstand zwischen zwei Atomrümpfen – der für das jeweilige Metall charakteristisch ist – sind beide Kräfte im Gleichgewicht. In dieser Gleichgewichtslage sind die Atome regelmäßig im Raum angeordnet. Man spricht dann von einem Kristallgitter.

Um Kristallgitter zu beschreiben, werden einfache geometrische Körper (Gitter-/Elementarzellen) verwendet, die wiederum unterschiedliche Ausprägungen haben. Für metallische Werkstoffe sind insbesondere die folgenden drei Elementarzellen von Bedeutung:

• Kubisch-flächenzentrierte (kfz) Elementarzelle: Würfelförmige Elementarzelle, bei der jede Ecke und jede Würfelfläche (mittig) mit je einem Atom besetzt ist.
• Kubisch-raumzentrierte (krz) Elementarzelle: Würfelförmige Elementarzelle, bei der jede Ecke und die Würfelmitte mit je einem Atom besetzt ist.
• Hexagonale Elementartzelle dichtester Kugelpackung (hdP): Zwei „aufeinander gepackte“ sechseckige Ebenen mit jeweils sieben Atomen, zwischen denen sich noch eine Ebene mit drei weiteren Atomen befinden. Die ist diejenige Anordnung gleich großer Kugeln, die den kleinsten Raum beansprucht.

Abhängig vom jeweiligen Metall unterscheiden sich die jeweiligen Gitterkonstanten, d.h. die Kantenlängen der Elementarzellen und/oder die Winkel zwischen diesen Kanten.

 

Die Anordnung der Atome im jeweiligen Gittertyp ist unter anderem entscheidend für die mechanische Verformbarkeit von Metallen.

Die meisten Metalle haben nur eine einzige stabile Metallstruktur. Beispielsweise sind Chrom und Molybdän kubisch-raumzentriert, Aluminium und Nickel kubisch-flächenzentriert und Magnesium und Zink hexagonal mit dichtester Kugelpackung.

 

Es gibt jedoch auch Metalle, die in Abhängigkeit vom Temperaturbereich in unterschiedliche Kristallformen auftritt, also stabil sind. Diese Metalle kristallisieren abhängig von der Temperatur um. Prominentestes Beispiel hierfür ist Eisen, das zwischen 911 °C und 1.392 °C kubisch-flächenzentriert und bei Temperaturen darunter oder darüber kubisch-raumzentriert ist. Tritt ein Element in mehr als einer Kristallform auf, nennt man dies Allotropie (bei chemischen Verbindungen im Allgemeinen spricht man von Polymorphie).

Im ideal regelmäßig aufgebauten Raumgitter befindet sich die Bindungsenergie zweier Atome – also die Energie, die benötigt wird, um die Bindung zwischen zwei Atomen vollständig zu spalten – bei einer Temperatur von 0 Kelvin (-273,15° C) im Minimum. Bei steigender Temperatur steigt die Bindungsenergie. Das Minimum bei einer bestimmten Temperatur wird als thermodynamisches Gleichgewicht bezeichnet. Eine Minimallage auf einem Energieniveau oberhalb dieses Minimums wird als metstabiles Gleichgewicht bezeichnet, weil dieser Zustand nur dann verlassen werden kann, wenn es zu einer Energiezufuhr von außen kommt.

 

In der Realität weichen Kristalle („Realkristall“) von dem ideal regelmäßig aufgebauten Raumgitter ab („Idealkristall“). Diese Störungen im Gitter werden als Gitterbaufehler bezeichnet. Bei einem Gitterbaufehler können die betroffenen Atome also nicht mehr ihren Gleichgewichtsabstand halten, d.h. ihre Bindungsenergie und somit auch ihr Energieniveau steigen (Verspannung des Gitters). Die Atome befinden sich in einem metastabilen Gleichgewicht.

 

Gitterbaufehler entstehen beispielsweise, wenn bei dessen Erzeugung das thermodynamische Gleichgewicht gestört wird oder wenn bei einem festen Kristall von außen Energie zugeführt wird. Bei Legierungen werden Gitterbaufehler bewusst provoziert, um die Eigenschaften eines Werkstoffs zu verbessern.

 

Unterschieden werden insbesondere folgende Gitterbaufehler:

• Leerstellen: Bleiben Gitterplätze in einem Metallgitter unbesetzt, spricht man von Leerstellen. Je höher die Temperatur ist, desto höher ist die Anzahl der Leerstellen. Diese so genannte Leerstellendichte ist für den Ablauf thermisch aktivierte Vorgänge (wie beispielsweise bei der Wärmebehandlung von Stahl) maßgeblich.
• Zwischengitteratome: Befindet sich ein Atom nicht auf einem Gitterplatz, sondern zwischen Gitterplätzen, wird es als Zwischengitteratom bezeichnet.
• Fremdatome: Befindet sich ein Atom von einer Atomsorte im Gitter einer anderen Atomsorte, spricht man von einem Fremdatom (beispielsweise bei Legierungen). Ein Kristall mit einer größeren Anzahl von Fremdatomen wird als Mischkristall bezeichnet.
• Versetzungen: Linienförmige Gitterfehler, d.h. eine Verschiebung ganzer Gitterlinien, nennt man Versetzungen. Sie sind zentraler Mechanismus bei der plastischen Verformung.
• Korngrenzen: Technische Metalle bestehen aus einer Vielzahl einzelner Kristalle. Beim Wachstum eines Kristalls – beispielswiese bei der Erstarrung aus der Schmelze oder bei der Rekristallisation – treffen die Kristalle aufeinander. Die Gitterebenen der Kristalle liegen dabei nicht ideal aneinander, sondern bilden größere Winkel untereinander (unterschiedliche Kristallorientierung). Zwischen den Kristallen bilden sich daher strukturlose Zonen (ca. 2-3 Atomabstände dick) mit einem erhöhten Energieniveau. Dies Zonen werden als Korngrenzen bezeichnet.