02 Kristallzustand, Gitterstörungen, Thermisch aktivierte Vorgänge

Kristallzustand:

Kristallgitter regelmäßige Anordnung von Atome
Elementarzelle (Bravais-Gitter) – kleinste Raumeinheit eines regelmäßig angeordneten Gitters

– beschreibt vollständig ein Gitter

Gitterkonstante Längen der Kristallgitter (a, b, c)
Achsenwinkel Winkel der Kristallgitter (α, β, γ)
Kristallsysteme (7) kubisch, tetragonal, rhombisch, hexagonal, rhomboedrisches, monoklines, triklines
Millerschen Indizes (hkl) Angabe der Gitterebenen
Netzebene Ebene, die durch drei nicht auf einer Geraden liegenden Punkte eines Punktgitters bestimmt wird[1]
Netzebenschar Parallele Netzebenen
Netzebenenabstand kleinster Abstand zweier Netzebenen
Koordinationszahl – Anzahl der nächsten Nachbarn eines Gitterbausteins

– gibt Packungsdichte an

Koordinationszahl 12 dichteste Kugelpackung bei hdp und kfz
hdp Hexagonal dichteste Kugelpackung (Stapelfolge: ABAB)
kfz kubisch flächenzentriert (Stapelfolge ABCABC)

[1] Vgl. Spektrum.de, Netzebene <https://www.spektrum.de/lexikon/geowissenschaften/netzebene/11113>

 

Wichtigste Kristallsysteme:

kubisches Kristallsystem (primitiv, raumzentriert und flächenzentriert)

tetragonales Kristallsystem (primitiv und raumzentriert)

hexagonales Kristallsystem

 

Millersche Indizes (hkl) – Rechnung:

  • Bestimmung Achsenabschnitte m,n,p B.: m=6; n=3; p=1
  • Kehrwerte bilden 1/m; 1/n; 1/p B.: 1/6; 1/3; 1/1
  • Auf Hauptnenner bringen B.: 1/6; 2/6; 6/6

hkl: (126)

 

Koordinationszahl:

  • gibt die Anzahl der nächsten platzierten Nachbarn um einen Gitterbaustein an
  • beschreibt wie eng ein Kristallsystem gepackt ist
  • je höher die Koordinationszahl, desto höher ist die Packungsdichte des Kristallinen Körpers (max. 12)
  • ist von Gestalt der Gitterbausteine, sowie von verschieden geformten Molekülen abhängig
  • mit nächstem Nachbarn wird der sogenannte Koordinationspolyeder gebildet -> den Liganden
  • die Koordinationszahl wird bei Kugelförmigen Atomaufbauten durch das Atomradienverhältnis bestimmt

 

Gitterstörungen:

Gitterfehler – Abweichung vom idealen Kristallaufbau

– Erhöhung Energie

– werden gezielt erzeugt und genutzt

Gitterfehlerarten punktförmig, linienförmig, flächenhaft und volumenhaft

 

0-dimensionale Gitterfehler:

Leerstellen – ein Atom löst sich aus dem Gitter und es entstehen freie Gitterplätze

– die Leerstellendichte ist temperaturabhängig

– durch Leerstellen wird Diffusion ermöglicht

Frenkel-Paar ein Atom löst sich aus seinem Gitterplatz (Leerstelle) und setzt sich als Interstitionsatom ins Gitter
Fremdatom Atom eines anderen Materials im Gitter
Substitutionsatome – Fremdatome auf regulären Gitterplätzen

– Bedingung für Substitutionsmischkristallbildung:

(rfremd-rMetall) / rMetall < 15 %

Interstitionsatome – Fremdatome auf Zwischengitterplätzen

– führen zu Gitteraufweitungen

– z. B.:  Wasserstoff (H) Stickstoff (N), Kohlenstoff (C) und Bor (B)

 

1-dimensionale Gitterfehler:

Stufenversetzung eingeschobene Halbkristallebene
Schraubenversetzung wendelförmige Verzerrung
Burgersvektor b gibt Größe und Richtung einer Versetzung an
Burgersumlauf A – F, Versatz entspricht Burgersvektor

2-dimensionale Gitterfehler:

Korngrenze trennt in einem Kristall Bereiche unterschiedlicher Ausrichtung gleicher Kristallstruktur[1]
Kleinwinkelkorngrenze – Übereinanderreihung gleichartiger Stufenversetzungen

– Kippwinkel kleiner 15°

Großwinkelkorngrenze – zufällig orientierte Kristallbereiche, die gegeneinanderstoßen

– Kippwinkel größer 15 °

Phasengrenzen – Fläche zwischen zwei Phasen

– kohärent, teilkohärent, inkohärent

Kohärente Phasengrenze – Gitterkonstante nahezu gleich

– Gitterebene wird fortgesetzt

Teilkohärente

Phasengrenze

– mit wachsendem Unterschied der Gitterkonstanten wird es energetischer

– Gitterebenen teilweise vorgesetzt

Inkohärente

Phasengrenze

verschiedene Gitterstrukturen
Zwillingsgrenze spiegelsymmetrisch zur Korngrenze
Stapelfehler Unterbrechung in der Stapelfolge

 

3-dimensionale Gitterfehler:

Poren offene und geschlossene Hohlräume entstanden aus Gasblasen[2]
Lunker offene und geschlossene Hohlräume entstanden aus dem Herstellungsprozess
Risse fertigungsbedingt
Einschlüsse feste Fremdphasen
Ausscheidungen Fremdphase wird aus dem Kristall selbst gebildet

 

[1] Vgl. Chemie.de, Korngrenze

[2] Vgl. Chemie.de, Gitterfehler

 

Thermisch aktivierte Vorgänge:

  • Zustandsänderung durch Zugabe von Energie
  • Aktivierungsenergie in Form von Temperaturveränderung bewirkt Platzwechsel der beteiligten Atome
  • Arrhenius-Gleichung beschreibt Geschwindigkeit thermisch aktivierter Platzwechselvorgänge

Diffusion:

Diffusion Temperaturabhängige Wanderung von Atomen, Ionen oder Leerstellen
Selbstdiffusion Platzwechselvorgänge gleicher Teilchen

(keine Konzentrationsänderung)

Fremddiffusion Platzwechselvorgänge unterschiedlicher Teilchen

(bedeutender Konzentrationsunterschied)

1. Ficksches Gesetz Stoffmenge von Atomen, welche bei einem Konzentrationsgefälle in bestimmter Zeit durch eine senkrecht zur Diffusionsrichtung stehenden Fläche befördert werden
2. Ficksches Gesetz Örtliche Konzentrationsänderung unter Berücksichtigung der Zeit

 

Diffusionsmechanismen:

  • Direkter Platzwechsel: Verhältnisse energetisch ungünstig
  • Leerstellenmechanismus: Atome wandern über Leerstellen, geringe Aktivierungsenergie, durch Temperaturzufuhr erhöht sich die Schwingungsbreite der Atome
  • Zwischengittermechanismus: Atome wandern über Zwischengitterplätze, auftreten bei Energiezufuhr in Form von sehr hoher Energie und kleinen diffundierenden Atomen

Diffusionskoeefizient (D)

  • Maßzahl, um Wanderungsbestreben bestimmter Atome zu beschreiben
  • Werkstoff- und Temperaturabhängig

 

Erholung

  • Die Kaltverformung erhöht den Energiegehalt des Werkstoffes
  • Bedingte Temperaturerhöhung -> Energieabbau durch Umlagern und Ausheilen von Gitterdefekten (Erholung)
  • Physische Eigenschaften, bspw. Elektrischer Widerstand werden durch die Erholung wiederhergestellt
  • Mechanische Eigenschaften und das mikroskopische Gefüge ändern sich hierbei nicht

Kaltwalzen von Aluminium:

Durch das Walzen entsteht ein Gefüge mit lang gestreckter Körnung, welche sich längs in die Walzrichtung zieht. Zudem nimmt die Härte des Materials zu.

Rekristallisation:

  • Eine Rekristallisation des kaltverformten Gefüges entsteht bei weiterer Temperaturerhöhung
  • Unverzerrte Kristalle bilden sich durch thermisch aktivierte Platzwechsel
  • Korngrenzenbewegung –> Kristallisationsfronten der neuen Körner gehen von Bereichen mit einer hohen Versetzungsdichte aus, welche bei der Kaltverformungen entstanden sind
  • Weder Korngröße, Kornform, noch Korngrenze sind identisch mit dem Gefüge des Ausgangsmateriales

Rekristallisierungstemperatur:

  • Die Rekristallisierungstemperatur ist die Temperatur, bei der nach einer Stunde die Rekristallisation abgeschlossen ist
  • Die Temperatur ist abhängig von:
    • Umformgrad
    • Glühtemperatur
    • Korngröße
    • Chemische Zusammensetzung des Materials
  • Warmumformen -> Umformen oberhalb der Rekristallisierungstemperatur
  • Kaltumformen -> Umformen unterhalb Rekristallisierungstemperatur
  • Das Rekristallisierungsdiagramm gibt den Einfluss von Verformungsgrad und Temperatur auf die Korngröße des rekristallisierten Gefüges an (individuell von jedem Material erstellt)