Werkstoffe: Struktur, Kristalldefekte, Körner

Werkstoffe: Struktur, Kristalldefekte, Körner

 

Die Aussage, dass die Eigenschaften von Werkstoffen durch ihren atomaren oder molekularen Aufbau und die dadurch bedingte mikroskopische Struktur des Materials beeinflusst werden, ist insofern ungenau, als man eigentlich vier hierarchische Ebenen der Struktur unterscheiden muss. Die unterste Ebene ist die Schalenstruktur der Elektronenhülle von Atomen. Darauf folgt die Struktur von Molekülen und/oder Kristallen, dann die Zusammensetzung der monokristallinen Körnchen zu verschiedenen Bereichen oder Phasen, und schließlich deren Anordnung in einem heterogenen, makroskopischen Körper.

 

 Vom Atom zum makroskopischen Festkörper

 

Die kleinste Einheit, in die sich ein Stoff mit chemischen Methoden zerlegen lässt, ist das Atom. Die Atome eines Materials bestimmen seine Eigenschaften durch die Art und Weise, wie sie aneinander gebunden sind. Die chemische Bindung kommt durch die Elektronen, und zwar speziell die Valenzelektronen der Atome zustande, die miteinander und mit denen anderer Atome elektrisch wechselwirken. Je nachdem, wie viele Elektronen die Atome eines Elements aufnehmen oder abgeben können, stellen sich unterschiedlich feste Bindungen und unterschiedliche Abstände zwischen miteinander verbundenen Atomen ein. Dadurch wird beispielsweise festgelegt, welche Kristallstruktur der Körper aufweist, wie fest er ist und wie gut er Wärme oder elektrischen Strom leitet. Mit der Kristallstruktur ist die zweite Stufe der Strukturhierarchie nach dem Atom und seiner Elektronenhülle erreicht.

 

Wenn die Umgebung aller Atome eines Körpers eine gleiche, regelmäßige Struktur besitzt, so spricht man von einer Nahordnung. Praktisch alle Festkörper und Flüssigkeiten haben eine solche Nahordnung. Anders ist dies bei Gasen, da sich dort alle Atome oder Moleküle vergleichsweise frei und unabhängig voneinander bewegen. Körper mit einer festen Kristallstruktur, bei denen sich aus der Symmetrie der Nahordnung eine Symmetrie des gesamten Körpers ergibt, haben außer der Nah- auch eine Fernstruktur. Die kleinste Einheit der Nahstruktur, aus deren Wiederholung sich die Fernordnung ergibt, wird Elementarzelle genannt. Stoffe mit Fernordnung sind alle mineralischen Kristalle, aber auch Metalle oder Eis. Glas, Keramik oder verschiedene aus Polymeren aufgebaute Kunststoffe haben dagegen keine Fernordnung, man bezeichnet sie daher als amorph (griechisch: gestaltlos). Der Unterschied zwischen amorphem und kristallinem Aufbau kann beispielsweise die optischen Eigenschaften eines Materials beeinflussen, wie etwa die Lichtdurchlässigkeit. So sind manche amorphe Polymere völlig transparent, während Mischungen aus kristallinen und amorphen Bereichen Licht nur diffus hindurchtreten lassen.

 

Betritt man die dritte Ebene auf der größer werdenden Skala der Werkstoffstruktur, so erkennt man nun bereits unter einem Lichtmikroskop kornartige Strukturen, die aus miteinander verwachsenen Kristalliten bestehen. Jeder dieser winzigen Kristalle besitzt ein weitgehend regelmäßiges Gitter, im Idealfall ist er ein Ein- oder Monokristall. Die Anordnung der Kristallite ändert sich zwischen zwei Körnern. Dort können die Kristallebenen zweier benachbarter Kristallite völlig anders orientiert sein. Die Größe dieser Körner ist eine wichtige Eigenschaft des Materials, da von ihr beispielsweise die Festigkeit eines Werkstoffs sehr stark abhängen kann, seine Beständigkeit gegen Riss- und Bruchbildung also. Ein Riss, der sich durch einen Werkstoff hindurch auszubreiten versucht, hat in einem Material mit konstanter kristalliner Struktur sehr viel leichteres Spiel als in einem Stoff aus vielen kleinen Körnern. Zur Rissausbreitung muss nämlich Energie aufgebracht werden, und um eine Korngrenze zu überwinden, braucht es mehr Energie als in einem Material mit konstanter kristalliner Struktur, in dem der Riss nahezu ungehindert den Werkstoff durchziehen könnte.

 

Auf der vierten Strukturebene lassen sich schließlich unterschiedliche Bereiche im Körper ausmachen, die entweder chemisch verschieden zusammengesetzt sind oder sich im kristallinen Aufbau, manchmal auch in bestimmten physikalischen Eigenschaften unterscheiden. Diese Bereiche nennt man Phasen. In manchen Körpern kann man nebeneinander längliche Nadeln oder tropfenförmige Strukturen finden, die sich im atomaren Aufbau sowie in Größe und Anordnung stark voneinander unterscheiden. Hervorgerufen werden sie durch unterschiedliches Verhalten zweier oder mehrerer Werkstoffkomponenten während des Herstellungs- oder Bearbeitungsprozesses. Auch die Phasen haben einen deutlichen Einfluss auf die Eigenschaften eines Werkstoffs. Ein Ziel der Materialwissenschaften besteht darin, die Art, Größe und Verteilung dieser Phasen gezielt zu beeinflussen.

 

 Defekte im Kristallgitter

 

Bei kristallinen Festkörpern ist die Struktur des Kristallgitters bestimmend für viele Materialeigenschaften, doch in einer der Wirklichkeit näheren Beschreibung müssen auch die Fehler einbezogen werden, die unvermeidlich in jedem Kristall auftreten. Keine Gitterstruktur ist von reiner, fehlerloser Regelmäßigkeit — solche Perfektion gibt es nur in der Mathematik, nicht aber in der materiellen Welt, wo das Wachstum der Kristalle durch kleinere und größere Erschütterungen, Schwerkraft, Verunreinigungen des Materials und viele andere Einflüsse permanent gestört wird.

 

Doch auch die Defekte selbst unterliegen wieder einer gewissen Regelmäßigkeit und sind somit klassifizierbar. Man fasst sie unter den Begriffen Punktdefekte, lineare Defekte und flächenartige Defekte zusammen, und hinter jedem dieser Oberbegriffe stecken wieder mehrere unterschiedliche Defekttypen.

 

Unter Punktdefekten versteht man Defekte, bei denen nur ein Atom oder eine Gruppe eng benachbarter Atome »aus der Reihe tanzt«. Sie stören dadurch aber die Anordnung der umgebenden Atome und lassen sich noch in vergleichsweise großen Entfernungen von etwa hundert Atomradien nachweisen. Ein Punktdefekt verursacht eine Deformation des Kristallgitters, die der Ausbreitung eines Risses Einhalt gebieten kann, da an dieser Stelle eine der höheren mechanischen Energiebarrieren überwunden werden muss. Zudem kann es an Punktdefekten zu einer Veränderung in der Konzentration der freien Ladungsträger kommen.

 

Beispiele für Punktdefekte sind Leerstellen, an denen ein Atom im Gitter fehlt. Bisweilen, etwa bei Halbleitern, sind derartige Leerstellen durchaus erwünscht, da durch sie die Ladungskonzentration gesteuert werden kann. Üblicherweise existieren in Kristallen jedoch nur wenige Leerstellen, deren Zahl allerdings durch Wärmezufuhr oder durch den Beschuss mit hochenergetischer Strahlung gesteigert werden kann. Eine andere Art von Punktdefekten sind Zwischengitterdefekte. Sie entstehen, sobald zwischen die regulären Gitterplätze eines idealen Kristalls Teilchen eingeschoben werden. Solche Atome stören zwar die Regelmäßigkeit des Gitters, doch dies kann bisweilen ein gewollter Effekt sein. Ein Beispiel ist Stahl, dem die ins Eisengitter aufgenommenen Kohlenstoffatome gesteigerte Festigkeit verleihen. Als dritte Punktdefektkategorie sind die Substitutionsdefekte zu nennen, bei denen Gitteratome durch »fremde« Atome einer anderen Sorte ersetzt werden. Bei der Dotierung von Halbleitern kann dadurch die Ladungsträgerkonzentration und die Leitfähigkeit verbessert werden. Unerwünscht ist dieser Defekt jedoch bei Materialien, die mechanischer Belastung standhalten sollen, weil je nach der Größe der eingebauten Fremdatome mechanische Spannungen im Kristall auftreten, die die Festigkeit des gesamten Kristalls herabsetzen können.

 

Lineare Versetzungen betreffen nicht nur ein einzelnes Atom beziehungsweise einen Gitterplatz, sondern mindestens eine ganze Kristallebene. Sie entstehen zumeist beim Erstarren oder bei der Verformung des Materials. Die Auswirkungen solcher Defekte sind im gesamten Kristall spürbar. Man unterscheidet zwischen der Schraubenversetzung und der Stufenversetzung. Bei Schraubenversetzungen wird eine Kristallebene um einen oder sogar mehrere Atomabstände gegenüber ihrer vorherigen Lage verdrillt. Ein auf der Oberfläche dieser Ebene gedachter geschlossener Linienzug wird dadurch zu einer Spirale geöffnet. Bei Stufenversetzungen schiebt sich dagegen eine neue Kristallebene zwischen zwei vorhandene Ebenen. Der Kristall wird dadurch insgesamt gespreizt. Beide Defekte können auch gemeinsam auftreten, etwa derart, dass eine Schraubenversetzung allmählich in eine Stufenversetzung übergeht. Etwaige Scherkräfte, die dann noch zusätzlich auf den Kristallverbund einwirken, können an den Versetzungen besonders leicht angreifen. Dies führt dazu, dass sich die Versetzungen durch den ganzen Kristall hindurch ausbreiten können — man bezeichnet dies als Gleiten — und schließlich auf der Außenseite sichtbar werden, beispielsweise als Stufe. Beim Gleiten sind nur relativ niedrige Energiebarrieren zu überwinden. Daher bedingt das Vorhandensein von Gleitebenen eine geringe mechanische Festigkeit des Werkstoffs. Beispielsweise ist die unterschiedliche Härte von Diamant und Graphit auf Unterschiede in den Elementarzellen der beiden Substanzen zurückzuführen: Graphit besitzt eine ausgeprägte Schichtstruktur, die ein Gleiten wesentlich erleichtert, während der Kohlenstoff im Diamant überall gleichmäßig tetraedrisch von anderen Kohlenstoffatomen umgeben ist und nicht zum Gleiten neigt. Gleitebenen verringern auch bei Metallen die Festigkeit, sorgen aber andererseits für ihre hohe Duktilität: Ohne die leichte Verschiebbarkeit benachbarter Ebenen im Metall wären Schmiedeprozesse ausgeschlossen.

 

Flächige Defekte finden sich sowohl an den Außenflächen von Festkörpern als auch entlang der Korngrenzen, also im Innern von Werkstoffen. An ihnen ändern sich die Orientierung und Lage von Kristallebenen. Bei Stapelfehlern wird die übliche Abfolge der atomaren Schichten von kubisch-flächenzentrierten Gittern unterbrochen. Zwischen zwei normale Schichten wird praktisch eine zusätzliche Schicht eingeschoben, sodass der Festkörper an dieser Stelle dichter gepackt ist, als er es aufgrund seiner Kristallstruktur sonst wäre.

 

Zwillingskristalle entstehen, wenn eine Schichtfolge durch Einwirkung äußerer Kräfte aus ihrer ursprünglichen Lage verschoben wird, aber ihre grundsätzliche Orientierung beibehält. Durch die Verschiebung wird der äußeren Kraft Energie entzogen, sodass Zwillingsgrenzen einem Festkörper mehr Stabilität verleihen können.

 

Die verschiedenen Defekte in einem Kristall können also sehr unterschiedliche Auswirkungen haben. Durch manche wird Festigkeit, Härte oder Elastizität der Werkstoffe verringert, und sie erleichtern die Ausbreitungen von Störungen und Rissen im Material. Andere dagegen nehmen einen Teil der Energie der Störung auf, sodass der Festkörper insgesamt gestärkt wird. Eine der Aufgaben der Materialforschung besteht nun darin, Bearbeitungsverfahren zu finden, bei denen die gewünschten Eigenschaften des Materials möglichst schon aufgrund ihrer inneren Struktur verstärkt werden, während die unerwünschten — ebenfalls aufgrund der inneren Struktur — geschwächt werden.

 

 Diffusion in Gittern

 

Wären die kristallinen Festkörper tatsächlich perfekt gebaute Kristalle von ungestörter Regelmäßigkeit, wäre ein solcher Festkörper ein statisches Gebilde, in dem jedes Atom fest und unverrückbar an seinem Platz säße. Die zahlreichen Defekte jedoch, die es in jedem Kristall gibt — die Leerstellen, die Versetzungen, Zwischengitteratome und so weiter — machen ihn zu einem Gebilde, in dessen Innerem stets Bewegung herrscht. Ständig verlassen Atome ihre Plätze, um, getrieben von inneren oder äußeren Kräften, durch den Kristall zu wandern, bis sie an einer anderen Stelle wieder einen festen Gitterplatz einnehmen. Diese Diffusion innerhalb des Gitters ist ein wichtiger Prozess, der die Eigenschaften des Kristallgitters wesentlich beeinflusst. Bei ihrer Wanderung können die Atome durchaus auch Korngrenzen überspringen und so das Gefüge des Festkörpers verändern.

 

Bei der Diffusion wird der Transport der Atome durch Schwingungen des Festkörpers hervorgerufen. Aufgrund ihrer Temperatur führen die Atome im Gitter kleine Schwingungen um ihre Gitterposition aus. Kommen sie dabei einem anderen Atom besonders nahe, können sie diesem ihre Energie übertragen, sodass sich die von außen eingebrachte thermische Energie allmählich im gesamten Gitter verteilt. Dies führt zu einer Temperaturerhöhung des Materials. Allerdings geben gleichzeitig die am Außenrand befindlichen Festkörperatome ihre Energie an die Umgebung ab, sodass sich allmählich ein thermisches Gleichgewicht zwischen Innen und Außen einstellt. Besonders intensive Stöße ermöglichen einem Atom, sich aus seiner Gitterposition loszureißen und zur nächsten freien Stelle im Gitter zu wandern. Sind an der Diffusion nur Atome des Körpers selbst beteiligt, spricht man von Selbstdiffusion. Nachgewiesen wurde sie etwa anhand von radioaktiven Goldatomen, die in die Oberfläche von normalem Gold eingebracht wurden und nach einiger Zeit gleichmäßig in der gesamten Probe verteilt waren.

 

Dieses Experiment legt darüber hinaus nahe, dass nicht nur die ursprünglich vorhandenen Atome durch das Material diffundieren können. Auch Fremdatome, die beispielsweise durch Dotierung in einen Festkörper eingebracht wurden, wandern durch den Kristall, und man spricht von Fremddiffusion.

 

Springt ein Atom in eine benachbarte Gitterleerstelle und der dadurch frei werdende Gitterplatz wird wieder vom nächsten Atom besetzt und so weiter, so sieht dies so aus, als wandere die Leerstelle durch das Gitter. Man bezeichnet einen solchen Prozess daher als Leerstellendiffusion. Entsprechend werden Diffusionsprozesse, bei denen ein Atom von einem Zwischengitterplatz auf einen anderen wechselt, als Zwischengitterdiffusion bezeichnet. Dieser Prozess kann, da keine Leerstellen benötigt werden und Zwischengitterplätze in großer Zahl vorhanden sind, sehr schnell ablaufen.

 

Damit Diffusion stattfinden kann, muss das Atom genügend große Energie besitzen, um seinen Platz verlassen zu können. Unterhalb einer als Aktivierungsenergie bezeichneten Schwelle bleiben die Atome an ihrem Platz. Wie hoch diese Energieschwelle ist, hängt von der Art der Bindung zwischen den Atomen und der Zahl der Nachbaratome ab. Die Zwischengitterdiffusion kann leicht stattfinden, und ihre Aktivierungsenergie ist dementsprechend relativ niedrig. Auch die Art des Materials beeinflusst die Stärke sowie die Geschwindigkeit der Diffusion. Bei ionisch gebundenen Stoffen kann ein Ion nur einen Platz einnehmen, auf den es bezüglich seiner Ladung passt. Daher muss ein diffundierendes Ion eine vergleichsweise große Strecke zurücklegen; die Aktivierungsenergie für solche Prozesse ist demnach recht hoch. Zudem ist die Beweglichkeit der Anionen — der negativ geladenen Ionen — oft geringer als diejenige der Kationen (der positiv geladenen Bausteine), weil der Teilchendurchmesser der Kationen meist geringer als der von Anionen ist. Diese können sich deshalb auch durch kleinere Lücken zwischen den Atomen hindurchzwängen, sodass bei ihnen die Diffusion leichter angeregt werden kann.

 

Bei der Bearbeitung von Werkstoffen, insbesondere wenn die entsprechenden Schritte bei hoher Temperatur durchgeführt werden müssen, hat die Diffusion eine große Bedeutung; sie ermöglicht die Beeinflussung der Eigenschaften des Materials. So kann durch die Diffusion das Wachstum von Körnern gesteuert werden, da ein Anwachsen der Korngröße immer mit der Diffusion von Atomen über die Korngrenzen hinweg verbunden ist. Je höher die Temperatur ist, bei der ein Material bearbeitet wird, desto mehr Energie steht den Atomen im Festkörper zur Verfügung, um ihren Platz zu verlassen und zu einer neuen Gitterstelle zu wechseln. Gelingt es, die Bearbeitungstemperatur herabzusetzen, so wird auch die Geschwindigkeit des Kornwachstums verringert, was zu kleineren Körnern und einem gleichmäßigeren Stoffgefüge führt.

 

Ein weiterer technisch ausgenutzter Diffusionsprozess ist das Diffusionsbonden, bei dem zwei Metalle oder Keramiken miteinander verbunden werden. Bei diesem Verfahren werden die beiden Materialien zunächst unter hohem Druck und hoher Temperatur zusammengebracht, wodurch sich die Kontaktfläche zwischen den Materialien vergrößert. Durch Diffusion wandern nun die Atome in die verbleibenden Hohlräume. Da dies eine nur geringe Aktivierungsenergie erfordert, läuft dieser Prozess relativ schnell ab. Danach immer noch verbleibende Hohlräume werden aufgrund der Volumendiffusion im Laufe der Zeit ausgefüllt. Als Ergebnis erhält man einen fest »verschweißten« Kontakt zwischen den Werkstücken.

 

Zur Verbindung von Metallpulvern und Verbundstoffen wird oft das Sintern eingesetzt, bei dem pulverförmige Substanzen zunächst unter hohem Druck verpresst werden. Dadurch treten die einzelnen Körner untereinander in engen Kontakt. Durch Diffusion von Gitterbausteinen können sich Korngrenzen verschieben und die Pulverkörner wachsen fester zusammen. Gleichzeitig wird die Größe der dazwischen befindlichen Poren verringert. Je nachdem wie lange man das Sintern fortsetzt, kann man ein poröses oder weitgehend porenfreies Material herstellen.

 

Dr. Gunnar Radons

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

metallische Werkstoffe: Vom Schmiedeeisen zur »intelligenten« Legierung

 

Literatur:

 

Hellwege, Karl-Heinz: Einführung in die Festkörperphysik. Berlin u. a. ³1988. Nachdruck Berlin u. a. 1994.

 Kittel, Charles: Einführung in die Festkörperphysik. Aus dem Amerikanischen. München u. a. ¹²1999.

 Stierstadt, Klaus: Physik der Materie. Weinheim u. a. 1989.