Gitterdefekte

Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Welche Arten von Gitterdefekten können unterschieden werden?
  • Was sind Leerstellen?
  • Worin unterscheiden sich Austauschatome und Zwischengitteratome bezüglich der Einlagerung im Metall?
  • Was sind Versetzungen?
  • Wodurch zeichnet sich ein Korn in einem Metall aus?
  • Was ist der Unterschied zwischen einer Großwinkelkorngrenze und einer Kleinwinkelkorngrenze?
  • Wodurch unterscheiden sich eine kohärente, teilkohärente und inkohärente Phasengrenze voneinander?
  • Was ist ein Stapelfehler?

Einleitung

Bei der bisherigen Betrachtung wurde stets von einer einheitlichen und fehlerfreien Struktur der Metalle ausgegangen. Solche ideale Kristalle existieren in der Praxis allerdings nicht bzw. können nur in sehr kleinem Maßstab unter extremem Aufwand näherungsweise erreicht werden (bspw. bei Whiskern).

Idealkristall
Abbildung: Idealkristall

Reale Metalle weisen keine perfekte Gitterstruktur auf sondern zeigen sogenannte Gitterbaufehler (auch Gitterdefekte oder Gitterfehler genannt). An diesen Fehlstellen weicht das reale Gitter von der idealisierten perfekten Struktur ab.

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Abbildung: Realkristall mit Fehlstellen

Die obere Abbildung zeigt exemplarisch verschiedene Gitterdefekte, die je nach Stärke ihrer Auswirkungen auf die umliegende Struktur verschieden unterteilt werden können. In den folgenden Abschnitten wird auf diese Fehlertypen näher eingegangen:

  • 0-dimensionale Gitterdefekte (punktförmige Fehlstellen)
  • 1-dimensionale Gitterdefekte (linienförmige Fehlstellen)
  • 2-dimensionale Gitterdefekte (flächenförmige Fehlstellen)
  • 3-dimensionale Gitterdefekte (volumenförmige Fehlstellen)

Punktförmige Gitterdefekte

Punktförmige Gitterbaufehler werden auch als 0-dimensionale Störstellen bezeichnet und stören das Gitter nur innerhalb eines sehr begrenzten (punktförmigen) Bereichs. Hierzu zähen die nachfolgen näher erläuterten Fehlstellen:

  • Leerstellen
  • Substitutionsatome (Austauschatome)
  • Einlagerungsatome (Zwischengitteratome)
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Abbildung: Punktförmige Gitterdefekte

Leerstellen

Bei den Leerstellen handelt es sich um Gitterplätze, die nicht mit einem Atom besetzt sind und somit leer bleiben. Die Leerstellendichte nimmt in der Regel mit steigender Temperatur exponentiell zu. Grund hierfür ist die mit erhöhter Temperatur zunehmde Gitterschwingung, die manche Atome von ihren regulären Plätzen „losreißt“. Wandern diese per Selbstdiffusion an die Metalloberfläche hinterlassen sie eine Leerstelle im Werkstoff. Dies bedeutet allerdings auch, dass sich Leerstellen in einem Metall prinzipiell nicht vermeiden lassen, da sich diese im thermodynamischen Gleichgewicht befinden. Man bezeichnet diese Art von Leerstellen auch als thermische Leerstellen.

Leerstellen sind unbesetzte Gitterplätze. Sie befinden sich in der Regel im thermodynamischen Gleichgewicht und lassen sich somit nicht vermeiden!

Auf 1 Billiarden (1015) Atome kommt bei Zimmertemperatur in etwa eine einzige Leerstelle. Unmittelbar unterhalb der Schmelztemperatur kommt bereits auf 10.000 Atome (105) eine Leerstelle.

Leerstellen können auch durch rasches Abkühlen aus dem heißen Zustand praktisch im Material „gefangen“ bleiben. Diese befinden sich jedoch nicht im thermodynamischen Gleichgewicht und heilen mit der Zeit aufgrund von Diffusionsvorgänge teilweise aus (athermische Leerstellen).

Substitutionsatom

Es existieren jedoch nicht nur Leerstellen, die eine Gitterstruktur stören. Darüber hinaus ist ein Metall nicht frei von Fremdatomen. In der Gitterstruktur können diese Fremdatome die eigentlichen Metallatome verdrängen und so deren Gitterplätze einnehmen. Da das eigentliche Metallatom sozusagen durch das Fremdatom ersetzt wurde, spricht man auch von einem Austauschatom oder Substitutionsatom.

Als Substitutionsatom oder Austauschatom bezeichnet man ein auf regulären Gitterplätzen eingelagertes Fremdatom!

Einlagerungsatome

Eine weitere Möglichkeit der Fremdatomanordnung besteht in der Einlagerung auf einem Zwischengitterplatz, z.B. in der Würfelmitte einer kubisch-flächenzentrierten Elementarzelle (in der sog. Oktaederlücke). Atome die sich nicht auf regulären Gitterplätzen befinden sondern sich dazwischen eingelagert haben, bezeichnet man dann auch als Zwischengitteratome oder Einlagerungsatome oder als interstitiell gelöste Atome.

Interstitiell gelöste Atome (auch Einlagerungsatome oder Zwischengitteratome genannt) nehmen keine regulären Gitterplätze sondern Zwischengitterplätze ein.

Fremdatome können aufgrund von Gitterschwingungen dann besonders gut durch das Material wandern (diffundieren), wenn viele Leerstellen vorhanden sind. Damit ist dann viel Platz gegeben, um von einer Leerstelle zur anderen zu gelangen. Leerstellen spielen deshalb eine wichtige Rolle bei Diffusionsprozessen von Fremdatomen!

Linienförmige Gitterdefekte

Linienförmige Defekte werden auch 1-dimensionale Gitterbaufehler genannt. Sie stören das Gitter im Vergleich zu punktförmige Fehlstellen innerhalb eines größeren Bereiches. Hierzu zählen ausschließlich die Versetzungen, wobei grundsätzlich zwischen einer Stufenversetzung und die Schraubenversetzung unterschieden wird:

  • Stufenversetzung
  • Schraubenversetzung
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Abbildung: Stufenversetzung

Bei einer Stufenversetzung endet eine Atomebene ohne weiteren Anschluss in der Metallstruktur. Man kann sie praktisch als eine eingeschobene Atom(halb)ebene in die bereits vorhandene Struktur gedacht vorstellen. Die „Kante“ dieser eingeschobenen Atomebene wird auch als Versetzungslinie oder Versetzungskern bezeichnet und in Zeichnungen häufig mit einem „T“ symbolisiert. Entlang dieser Versetzungslinien ist die Gitterstruktur stark verzerrt und weist Spannungen auf. Die Versetzungslinie bildet entweder einen geschlossenen Ring oder tritt an der Oberfläche des Kristalls (Korn) aus oder endet an anderen Fehlstellen.

Als Stufenversetzung bezeichnet man eine eingeschobene Atomebene, die mitten in der Gitterstruktur nicht mehr fortgesetzt wird!

Im Gegensatz zu einer Stufenversetzung windet sich bei einer Schraubenversetzung eine Atomebene entlang der Versetzungslinie wie das Gewinde einer Schraube durch den Kristall. In einem Kristall treten stets Kombinationen beider Versetzungsarten auf.

Versetzungen entstehen beim Erstarren von Schmelzen oder aufgrund von Spannungen im Metall. Sie werden aber auch durch plastische Verformung zusätzlich eingebracht (Kaltverfestigung). Versetzungen spielen vor allem bei Verformungsprozessen eine zentrale Rolle, da diese maßgeblich für die gute Verformbarkeit der Metalle verantwortlich sind.

Versetzungen spielen für die Verformbarkeit der Metall eine zentrale Rolle!

Die Versetzungsdichte in einem Kristall wird als Gesamtlänge aller Versetzungslinien pro Volumen angegeben. Pro Quadratmillimeter eines weichgeglühten Metalls finden sich Versetzungslinien mit einer Gesamtlänge von etwa 1 km wieder. Durch Kaltverformung steigt die Versetzungslänge pro Quadratmillimeter auf rund 1 Millionen Kilometer an. Ab etwa einer Versetzungsdichte von ca. 100 Millionen Kilometern pro Quadratmillimeter ist der Werkstoff hingegen so geschädigt, dass dieser im Prinzip zerstört ist.

Flächenförmige Gitterdefekte

Im Vergleich zu linienförmigen Gitterbaufehlern stören flächenförmige Fehlstellen die Gitterstruktur in einem räumlich größeren Bereich. In diese Kategorisierung der sogenannten 2-dimensionalen Gitterfehler fallen folgende Defekte:

  • Großwinkelkorngrenzen
  • Kleinwinkelkorngrenzen
  • Phasengrenzen
  • Stapelfehler

Korngrenze

Korngrenzen grenzen Bereiche in einem Kristall ab, innerhalb deren das Gitter eine einheitliche Ausrichtung zeigt. Diese Grenzen sind strukturlose Bereiche mit einer Dicke in der Größenordnung von nur 2 bis 4 Atomabstände. Die einheitlich ausgerichteten Bereiche selbst werden als Körner oder auch als Kristallite zeichnet. Die Elementarzellen sind bei jedem Korn identisch, sie haben lediglich eine andere räumliche Ausrichtung (gedreht, gespiegelt, etc.).

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Abbildung: Großwinkel-Korngrenze

Die Körnerstruktur entsteht beim Erstarren der Metallschmelze, da eine Schmelze in der Regel nicht ausgehend eines einzigen Punktes sondern an vielen Stellen gleichzeitig erstarrt (Ausnahme: Einkristalle!). An jedem dieser Erstarrungspunkte (sog. Keime) bildet sich das Gitter mit einer eigenen Ausrichtung. Die wachsenden Körner stoßen nach dem vollständigen Erstarren der Schmelze aneinander und bilden somit die Korngrenzen.

Als Korn bezeichnet man einen Kristallbereich mit einer einheitlichen räumlichen Gitterausrichtung. Unterschiedliche Körner sind durch Korngrenzen voneinander getrennt!

Kleinwinkelkorngrenze

Eine Abweichung der Kristallausrichtung kann auch entstehen, wenn mehrere Versetzungen übereinander liegen. Da dieser Fehler die Gitterausrichtung nur um wenige Grad (< 15°) ändern, spricht man auch von einer Kleinwinkelkorngrenze. Aufgrund der besseren Abgrenzung hierzu werden die oben beschriebenen Korngrenzen häufig auch als Großwinkelkorngrenzen bezeichnet.

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Abbildung: Kleinwinkel-Korngrenze

Zwillingskorngrenze

Eine spezielle Art der Korngrenze bildet die sogenannte Zwillingskorngrenze. Dabei sind die gegenüberliegenden Gitter in ihrer Ausrichtung gerade spiegelbildlich zueinander angenordnet. Eine solche Zwillingskorngrenze besitzt eine hohe Symmetrie und damit niedrige Energie.

Zwillingskorngrenzen sind unter dem Mikroskop häufig als gerade Linien im Gefüge erkennbar, während sich „normale“ Korngrenzen eher durch gekrümmte Linien auszeichnen. Zwillingskorngrenzen werden in den Metallen Messing, Kupfer und Austenit (γ-Eisen) sehr häufig gebildet.

Während Korngrenzen im Allgemeinen inkohärente Grenzflächen bilden, zeigen Zwillingskorngrenzen eine vollständig kohärente Grenzfläche (zum Begriff der Kohärenz siehe nächster Abschnitt).

Phasengrenze

Die sogenannte Phasengrenze bildet eine weitere Art der flächenförmigen Gitterfehler.

Als Phase bezeichnet man einen Raumbereich mit einer einheitlicher chemischen Struktur!

Hierbei kann es sich bspw. um eine Ansammlung von Legierungselementatomen im Wirtsgitter des Metalls handeln. Eine Phasengrenze grenzt somit räumlich zwei unterschiedliche chemische Strukturen voneinander ab. Je nachdem wie die Strukturen der unterschiedlichen Phasen ineinander übergehen unterscheidet man zwischen einer kohärenten, teilkohärenten oder inkohärenten Phasengrenze.

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Abbildung: Arten von Phasengrenzen

Bei einer kohärenten Phasengrenze gehen die beiden Strukturen praktisch lückenlos ineinander über. Dies trifft dann zu, wenn die beiden Phasen eine übereinstimmende Struktur aufweisen und über ähnliche chemische Eigenschaften verfügen.

Weichen die Phasen in ihren Eigenschaften jedoch etwas voneinander ab, so gehen die Gitterstrukturen nicht mehr vollständig ineinander über. Es müssen in regelmäßigen Abständen Versetzungen eingebaut werden. Man spricht dann von einer teilkohärenten Phasengrenze.

Bei einer inkohärenten Phasengrenze hingegen, passen weder die Gitterstrukturen noch die chemischen Eigenschaften der beiden Phasen zusammen. Die Struktur ist ähnliche einer Großwinkelkorngrenze, besteht jedoch aus zwei unterschiedlicher aneinandergrenzender Phasen, die ihrerseits nicht in dem Maße verzerrt sind wie dies bei einer Großwinkelkorngrenzen der Fall ist.

Stapelfehler

Ein weiterer flächenförmiger Defekt ist der sogenannte Stapelfehler. Es handelt sich dabei um eine lokal abweichende Stapelfolge der ansonsten periodisch angeordneten Ebenen. So kann bspw. die Stapelfolge der dichtestgepackten Ebenen im kubisch-flächenzentrierten-Gitter mit normalerweise ABCABC lokal die Folge ABACAB aufweisen. Solche Stapelfehler können entstehen, wenn sich eine Versetzung in zwei kleinere Versetzungen aufteilt.

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Abbildung: Stapelfehler

Als Stapelfehler bezeichnet man lokale Abweichungen von der eigentlichen Stapelfolge der Gitterstruktur!

Volumenförmige Gitterdefekte

Volumenförmige Gitterbaufehler werden auch als 3-dimensionale Defekte bezeichnet und stören den Gitteraufbau in räumlich größerem Ausmaß als dies die flächenförmigen Fehlstellen tun. Hierzu zählen:

  • Ausscheidungen
  • Poren
  • Einschlüsse

Bei den sogenannten Ausscheidungen handelt es sich um eine Ansammlung von chemischen Verbindungen (Phasen) im Metall. Neben Ausscheidungen zählen auch Poren oder sonstige Einschlüsse zu den 3-dimensionalen Fehlstellen.

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Abbildung: Ausscheidungen