(WT3-04) – Gitterdefekte

Inhaltsverzeichnis

“In diesem Kursabschnitt erlernst du alles Relevante zum Thema Gitterdefekte (Gitterstörungen).”

 

Beschreibungen – Grundlagen

In unserer bisherigen Betrachtung haben wir uns die Anordnung der Atome immer als Idealstruktur angeschaut.

In der Realität, also in der Realstruktur der Atome treten Fehler auf.  So kommen in Normalfall bei jeden Realkristall (gezüchtet) auf 10^19 Elementarzellen ein Defekt und ca. 10^13 Gitterfehler auf einen Kubikzentimeter.

 

Merk's dir!
Merk's dir!

Realkristall: Kristall mit Fehlanordnungen und unreiner Kristallsubstanz

Idealkristall: Idealisiertes Modell welches in der Realität nicht existiert.

 

Klammert man jedem aus, dass die Atome in der Realität keine Kugelform aufweisen und sich diese auch nicht in Ruhelage befinden, kommt ebenfalls hinzu, dass

  • eine endliche Begrenzung besteht: Kristallit
  • gestörte Bereiche existieren: Fehlordnungen, Gitterbaufehler sowie Defekte

 

Darüber hinaus müssen wir zudem unterscheiden ob es sich bei der betrachteten Struktur um

  • Gleichartige Körner
  • Ungleichartige Körner

Oder um

  • Homogene Strukturen
  • Heterogene Strukturen

handelt.

 

Arten von Gitterdefekten

Je nach betrachteter Dimension unterscheiden wir 4 mögliche Arten von Gitterdefekten.

  1. Punktförmiger Gitterdefekt
  2. Linienförmiger Gitterdefekt
  3. Flächenförmiger Gitterdefekt
  4. Raumförmiger Gitterdefekt

 

Hierbei stehen

  • die punktförmigen Gitterdefekte für 0-Dimensionale Defekte,
  • die linienförmigen Gitterdefekte für 1-dimensionale Defekte und
  • die flächenförmigen Gitterdefekte für 2-dimensionale Defekte sowie
  • die raumförmigen Gitterdefekte für 3-dimensionale Defekte.

 

Du kannst daraus ableiten, dass die Dimension die Ausdehnung des Gitterdefekts beschreibt und diese zumindest die atomaren Abmessungen überschreitet.

 

Punktförmige Gitterdefekte

“Ein Punktförmiger Defekt ist die simpelste Variante eines Gitterdefektes.”

 

Hier können wir zwischen drei Varianten unterscheiden.

  1. Leerstellen
  2. Zwischengitterplätze
  3. Fremdatome

 

Leerstellen

Leerstellen oder Gitterlücken sind nicht besetzte Gitterplätze. Hier fehlen ein oder mehrere Atome des Wirtsgitters.

Kommt es zu einer Temperaturerhöhung oder zu einer plastischen Verformung der Struktur, so nimmt die Anzahl der Leerstellen sogar zu.

Leerstellen
Leerstellen

 

Zwischengitterplätze

Zwischengitterplätze sind Bereiche in der Struktur bei denen sich ein Atom zwischen den Gitterplätzen befindet. Hier ist es im Vorfeld zu einer elastischen Verformung gekommen, wodurch das Atom des selben Kristalls diesen Platz einnehmen konnte. Jedoch wird dieser punktförmige Fehler nicht bei jedem Gittertyp festgestellt.

punktförmige Gitterdefekte - Zwischengitteratome
Zwischengitteratome

 

Fremdatome

Fremdatome hingegen sind erzeugen punktförmige Gitterstörungen, da sie entweder den Platz eines Atoms des Ausgangsgitters (Grundgitters, Matrix) besetzen, also das bereits vorliegende Atom substituieren (verdrängen), oder indem sie sich einen Zwischengitterplatz suchen und sich dort einlagern.

Im ersten Fall spricht man von einem Substitutionsatom (Austauschatom) und im zweiten Fall von einem Interstitionsatom (Einlagerungsatom).

 

Beispiele:

Im nachfolgenden sind zwei Beispiele für einen punktförmigen Gitterdefekt verursacht durch Fremdatome aufgeführt.

  • Substitutionsatom: Zinkatome lagern sich in der Matrix von Kupfer ein.
  • Interstitionsatom: Kohlenstoffatome nehmen einen Zwischengitterplatz in der Matrix von Eisen ein.

 

Durch die Einlagerung des Fremdatoms mit unterschiedlichem Durchmesser, kommt es entweder zu einer Einengung oder Aufweitung der Matrix.

 

 punktförmige Gitterdefekte - Fremdatome
Fremdatome

 

Mögliche Probleme eines punktförmigen Gitterdefektes:

  1. Elektrische und thermische Leitfähigkeit nehmen ab.
  2. Fließverhalten wird verändert.
  3. Abnahme oder Zunahme der Festigkeitseigenschaften
  4. Diffusionsvorgänge werden beeinträchtigt.

 

 

Linienförmige Gitterdefekte

“Unter linienförmigen Gitterdefekten versteht man Versetzungen in der Matrix.”

 

Sie kommen vergleichsweise häufig in der Matrix vor und beeinflussen die Eigenschaften eines Werkstoffes (gewünscht oder unerwünscht) maßgeblich. Gäbe es keine Versetzungen oder wäre es nicht möglich Versetzungen zu erzeugen, so gäbe es auch folglich keine plastische Verformbarkeit. Ein Idealkristall würde bei einer Belastung einfach spröde Zerbrechen.


Merk's dir!
Merk's dir!

Bei Metallen liegt die Versetzungsdichte im Normalzustand bei bis zu 10^8 \frac{cm}{cm^3} = 10^8 cm^{-2} und nach einer plastischen Verformung bei bis zu 10^{12} cm^{-2}

 

Wir können zwei Varianten der Versetzungen voneinander unterscheiden. Auf der einen Seite haben wir Stufenversetzungen und auf der anderen Seite Schraubenversetzungen. In beiden Fällen handelt es sich um Spezialfälle der linienförmigen Gitterdefekte.

 

Sie entstehen durch Leerstellenkonzentrationen, die von der Temperatur abhängen oder durch das Ausscheiden von fremdartigen Atomen.

 

Stufenversetzungen

Die Stufenversetzung entsteht dadurch, dass die Struktur der Matrix gestört ist indem beispielsweise ein Teil der Netzebene fehlt und sich die Matrix dadurch verformt. Das tritt auf, wenn eine Atomreihe im Inneren der Matrix endet.

 

Stufenversetzungen
Stufenversetzungen

 

Schraubenversetzung

Bei der Schraubenversetzung hingegen sieht die Geometrie anders aus als bei erster Variante.

 

Schraubenversetzung
Schraubenversetzung

 

Kennzeichnung der Versetzung

  1. Eine Versetzung weist immer einen Richtungssinn auf, der entweder positiv oder negativ sein kann. Versetzungen mit unterschiedlichen Richtungssinn ziehen sich an, bei einem gleichsinnigen Richtungssinn hingegen stoßen sie sich ab.
  2. Versetzungen sind nicht starr, sondern beweglich. Damit erklärt sich auch, dass eine plastische Verformung eine Wanderung sehr vieler Versetzungen bewirkt.
  3. Versetzungen verursachen Eigenspannungen und Verfestigungen.

 

Flächenförmige Gitterdefekte

“Bei den flächenförmigen Gitterdefekten unterscheiden wir Stapelfehler von Korngrenzen.”

 

Korngrenzen

Bei flächenförmigen Gitterdefekten unterscheiden wir zwei Ausprägungen

  1. Kleinwinkelkorngrenze
  2. Großwinkelkorngrenze

 

Kleinwinkelkorngrenze

Ein Kristallit wird auch als Korn bezeichnet und kann zudem in Subkörner unterteilt werden. Dies geht bis in Bereiche deren Gitterorientierung bis zu 10° voneinander abweichen.

Die Ursache für diese Kleinwinkelkorngrenzen (Subkorngrenzen) sind aneinandergereihte Versetzungen.

 flächenförmiger Gitterdefekt - Kleinwinkelkorngrenze
Kleinwinkelkorngrenze

 

Großwinkelkorngrenze

Als Großwinkelkorngrenzen fasst man normale Korngrenzen auf. Diese trennen Kristallite von gleichen oder unterschiedlichen Atomsorten voneinander.

Hier schließt die Orientierung der Gitter größere Winkel ein. Daher können die Abstände der Kristallite zueinander mehrere Atomabstände betragen. Man spricht in diesem Zusammenhang von Phasengrenzen, da hier verschiedene (stofflich) Gitterabschnitte getrennt werden.

 

 flächenförmiger Gitterdefekt - Großwinkelkorngrenze
Großwinkelkorngrenze

 

Ein Sonderfall ist die Zwillingsgrenze. Denn hier liegen die Atome auf Gitterplätzen, die bei beiden Kristallzwillingen gleich sind. Dabei sind zwei Kristallite spiegelsymmetrisch angeordnet.

 flächenförmiger Gitterdefekt - Zwillingsgrenze
flächenförmige Gitterdefekte – Zwillingsgrenze

 

Derartige Grenzen findet man in den meisten Fällen innerhalb eines Korns.

 

Stapelfehler

Von einem Stapelfehler spricht man, wenn die Schichtfolge einer Gitterebene gestört ist. Würde diese im Normallfall wie folgt aussehen:

ABC ABC ABC

So sähe sie im gestörten Fall, wie folgt aus:

ABC ABAB ABCABCA

ABC = kfz

ABAB = hdP

ABCABCA = kfz

 

Merk's dir!
Merk's dir!

Es zeigt sich, dass in dem Kugelstapel neben der kubisch-flächenzentrierten Gitterstruktur auch eine hexagonale Gitterstruktur existiert.

 

Räumliche Gitterdefekte

“Zur Gruppe der räumlichen Gitterdefekte zählen Ausscheidungen (Dispersion), Einschlüsse, Mikrorisse und Mikroporen (Poren).”

 

Ausscheidungen und Dispersionen

Gerade bei Metalllegierungen bilden sich infolge von besonderen thermodynamischen Umständen in der Gitterstruktur neue Gitterbereiche mit einer veränderten Struktur aus. So eine Entwicklung nennt man Ausscheidungen.

Diese Vorgänge können im Rahmen des Sinterns oder infolge einer inneren Oxidation entstehen.

Man spricht dann von Dispersionen.

 

Raumförmige Gitterdefekte - Ausscheidung, Dispersion
Raumförmige Gitterdefekte – Ausscheidung, Dispersion

 

Einschlüsse

Einschlüsse sind das Ergebnis von Herstellungsprozessen und tauchen als unvermeidbare intermetallische Verbindungen auf. Hier befinden sich selbstständige Kristallite im Matrixgitter.

Raumförmige Gitterdefekte - Einschluss
Raumförmige Gitterdefekte – Einschluss

 

Einschlüsse können unterschiedliche Abmessungen besitzen.

 

Merk's dir!
Merk's dir!

Ausscheidungen, Dispersionen und Einschlüsse haben gemein, dass sie innerhalb des Matrixgitters einen geordneten Kristallbereich mit eigener Struktur ausbilden.

Man unterscheidet sie dann in Phase 1 (Matrixgitter) und Phase 2 (fremder Kristallbereich).

Beide Phasen sind durch eine Phasengrenze voneinander getrennt.

 

Mikrorisse

Auch Mikrorisse zählen zur Gruppe der räumlichen Gitterdefekte. Diese können z.B. dadurch entstehen, dass drei Versetzungen auf eine Phasengrenze auflaufen und sich dadurch ein Hohlraum bildet.

Raumförmige Gitterdefekte - Mikroriss
Raumförmige Gitterdefekte – Mikroriss

 

Mikroporen

Eine weitere Ausprägung sind Mikroporen. Diese zumeist kugelförmigen Hohlräume innerhalb des Matrixgitters entstehen durch die Ansammlung von Leerstellen oder Gasen.

Raumförmige Gitterdefekte - Pore
Raumförmige Gitterdefekte – Pore

 

 

wie gehts weiter?
“Nachdem du jetzt einen Überblick zu den Gitterdefekten erhalten hast, gehen wir im kommenden Kursabschnitt ausführlich auf die Werkstoffeigenschaften im Detail ein.” 

 

Trainingsbereich

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