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Metallkunde

Die interessanten Dimensionen in Werkstoffen sind unvorstellbar klein. Typische Abstände von Atomen in Metallen liegen zwischen 0.1-0.3?nm. Die Atome ordnen sich zu kleineren Kristalliten (Körnern) an. Diese winzigen Kristalle sind in der Regel zwischen 1 und 50?µm klein, vom bloßen Auge nicht erkennbar und wachsen an den Korngrenzen zusammen. Die Gesamtheit all dieser winzigen Kristallite (sowie unerwünschter Verunreinigungen und Poren) ergibt das Gefüge eines Metalls, welches sich unter dem Elektronenmikroskop wie ein faszinierendes Kunstwerk offenbart (Abb. 1.1).

Abb. 1.1 Winzige Kristallite in einer gebrochenen Schraube, beobachtet unter einem Rasterelektronenmikroskop.

Metalle bilden die wichtigste Klasse der Konstruktionswerkstoffe. Ihre praktischen Einsatzmöglichkeiten sind sehr vielseitig. Unter den metallischen Konstruktionswerkstoffen besitzen der feste Stahl und das leichte Aluminium die größte Bedeutung. Das teure Titan bietet einen guten Kompromiss zwischen hoher Festigkeit und relativ geringem Gewicht, bei guter Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität. Teure Nickelbasislegierungen sind auch bei hohen Temperaturen von ca. 1000?°C fest und korrosionsbeständig. Noch teurere Refraktärmetalle wie Wolfram, Molybdän oder Tantal erfüllen ihren Dienst sogar bei deutlich höheren Temperaturen. Kupfer und die Edelmetalle Gold, Silber und Platin sind für ihre gute elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit bekannt. Darüber hinaus werden sie von den Kunden der Uhren- und Schmuckindustrie auch für ihr dekoratives Aussehen geschätzt.

Metalle sollten bei ihrer Herstellung möglichst gut formbar sein. Im späteren Einsatz als Konstruktionswerkstoff hingegen wird häufig eine möglichst hohe Festigkeit gefordert. Metalle sollten darüber hinaus auch noch zäh sein, d.?h. nicht unerwartet versagen, wie die ebenfalls festen, aber spröden Keramiken. Die hohe Kunst der Metallurgie besteht darin, diese widersprüchlichen Anforderungen zu erfüllen.

Anders als die zerbrechlichen Keramiken und Gläser mit ihrer Ionenbindung oder die ebenfalls spröden Halbleiter mit ihren gerichteten kovalenten Atombindungen können sich Metalle nicht nur elastisch, sondern auch plastisch verformen. Ursache dafür ist vor allem die Metallbindung, in der ein "Elektronengas" von freibeweglichen Valenzelektronen das Gitter der dicht gepackten Atomrümpfe zusammenhält und zugleich für die gute elektrische und thermische Leitfähigkeit sorgt. Diese Metallbindung sowie die hohe Packungsdichte ermöglichen eine plastische Verformung durch das Gleiten von Versetzungen auf dicht gepackten Kristallebenen.

Das Kap. 1 ist den wichtigsten Grundlagen der Metallkunde gewidmet. Die technisch relevantesten Kristallstrukturen und Kristallbaudefekte von Metallen werden vorgestellt. Manche Metalle wie Eisen sind polymorph, d.?h., sie können verschiedene Kristallstrukturen annehmen. Der Begriff der Tropie wird eingeführt. Er beschreibt die Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften. Kristallstruktur, Gitterdefekte und Tropie haben einen starken Einfluss auf das elastische und plastische Verformungsverhalten der Metalle. Um die Festigkeit von Metallen zu erhöhen, werden den Versetzungen, die für die plastische Verformung verantwortlich sind, gezielt Kristallbaudefekte wie Fremdatome, andere Versetzungen, Korngrenzen oder Ausscheidungen in den Weg gestellt. Man spricht in diesem Zusammenhang von Verfestigungsmechanismen.

1.1 Wichtige Kristallstrukturen von Metallen

Metalle besitzen relativ einfache, dicht gepackte Kristallstrukturen, die durch Elementarzellen dargestellt werden. Eine Elementarzelle ist eine kleine geometrische Einheit, die den gesamten Kristall komplett beschreibt. Die meisten Metalle kristallisieren in einer der drei Gitterstrukturen, deren Elementarzellen in Abb. 1.2 gezeigt werden. Es handelt sich um die kubisch-flächenzentrierte (kfz), kubisch-raumzentrierte (krz) und hexagonal dichteste Packung (hdp) der Metallatome.

Abb. 1.2 Typische Gitterstrukturen von Metallen: (a) kubisch-flächenzentrierte Elementarzelle (kfz), (b) kubisch-raumzentrierte Elementarzelle (krz), (c) Elementarzelle der hexagonal-dichtesten Packung (hdp).

In der kubisch-flächenzentrierten Elementarzelle (kfz) sind die Ecken und Flächenmitten eines Würfels mit Atomen besetzt. In der kubisch-raumzentrierten Elementarzelle (krz) sitzen die Atome an den Ecken und im Zentrum des Würfels. In der hexagonal dichtesten Packung (hdp) liegen die dichtest gepackten Ebenen von Atomen in sechsfacher Symmetrie (Sechsecke mit einem siebten Atom in der Mitte) in alternierender Anordnung übereinander.

Die guten metallischen Leiter Gold, Silber, Kupfer, Platin und Aluminium sowie das austenitische Gamma-(?-)Eisen liegen in der kubisch-flächenzentrierten (kfz) Struktur vor. Das Alpha-(a-)Eisen sowie die hochschmelzenden Refraktärmetalle Wolfram, Molybdän, Tantal, Niob oder Chrom kristallisieren in der kubisch-raumzentrierten (krz) Struktur. Magnesium, Zink, Titan oder Cobalt bilden eine hexagonal dichteste Packung (hdp). Die Kristallstruktur und die darin enthaltenen Gitterdefekte beeinflussen die Eigenschaften von Metallen maßgeblich.

Die meisten metallischen Werkstoffe sind polykristallin. Sie bestehen aus unzähligen winzigen Kristalliten mit typischen Kristall- bzw. Korngrößen zwischen 100 und 102?µm. Doch selbst bei dieser Winzigkeit müsste man, um auch nur eines dieser unzähligen kleinen Körner von ca. 10?µm?·?10?µm?·?10?µm als schematisches Bild darzustellen, einen Kristall mit wesentlich mehr Atomen zeichnen, als Menschen auf unserem Planeten leben.

Das ist nicht praktikabel. Daher bedient man sich des Modells der Elementarzelle als kleiner geometrischer Einheit, die eine Kristallstruktur und ihre Symmetrie vollständig beschreibt. Statt des winzigen Kristalls mit seinen Abermilliarden von Atomen zeichnet man die um Größenordnungen kleinere Elementarzelle.

Angenommen, die mittlere Korngröße von winzigen würfelförmigen Kristallen läge bei 10?µm. Angenommen, Länge, Höhe und Breite der ebenfalls würfelförmigen Elementarzelle, also der kleinen geometrischen Einheit, die den Kristall komplett beschreibt, läge bei 0.2?nm. Dann würde in einem solchen winzigen Kristall von 10 · 10 · 10 µm3 die unvorstellbare Anzahl von 1.25 · 1014 geometrischen Elementarzellen vorliegen. Und dieser Kristall wäre noch nicht einmal vom bloßen Auge, sondern nur unter einem leistungsstarken Mikroskop erkennbar - umgeben von unzähligen weiteren kleinen Kristalliten (Körnern).

1.1.1 Miller'sche Indizes: Bezeichnung von Richtungen und Ebenen

Um die Kristallstrukturen beschreiben zu können, wird ein Koordinatensystem definiert, das die Elementarzelle aufspannt. Das Koordinatensystem besteht in der Regel aus drei Achsen (x , y , z). Die Längen a, b und c entsprechen den Kant enlängen der Elementarzelle in den Richtungen x, y und z. Zwischen den Achsen liegen die drei Winkel: a als Winkel zwischen den Achsen b und c, gemessen um die Achse a; ß als Winkel zwischen a und c, gemessen um die Achse b; ? als Winkel zwischen a und b, gemessen um die Achse c. Es gibt in der Kristallographie sieben verschiedene Koordinatensysteme zur Beschreibung von Kristallstrukturen:

1. Das kubische Kristallsystem mit a = b = c, a = ß = ? = 90° (Würfel als Elementarzelle).
2. Das tetragonale Kristallsystem mit a = b ? c, a = ß = ? = 90° (Quader mit quadratischer Grundfläche als Elementarzelle).
3. Das orthorhombische Kristallsystem mit a ? b ? c, a = ß = ? = 90° (Quader mit rechteckiger Grundfläche als Elementarzelle).
4. Das monokline (einfach geneigte) Kristallsystem mit a ? b ? c, a = ? = 90° (rechteckige Grundfläche) und ß ? 90° (um die b-Achse geneigter "Quader" als Elementarzelle).
5. Das trikline (dreifach geneigte) Kristallsystem mit a ? b ? c, a ? ß ? ? ? 90°.
6. Das hexagonale Kristallsystem, das durch drei Achsen beschrieben werden kann mit a = b ? c, a = ß = 90°, ? = 120°. Dabei ist ? der Winkel zwischen a und b in...