Werkstofftechnik

Innerer Aufbau der Metalle

Innerer Aufbau

Metalle besitzen einen äußerst komplizierten kristallartigen Feinbau, welcher erst bei ca. 10.000 facher Vergrößerung sichtbar wird. Dieser Feinbau wird als kristalliner Aufbau oder Struktur bezeichnet. Bei 10.000.000 facher Vergrößerung ist sogar der atomare Aufbau erkennbar. Dabei wird sichtbar, dass die Atome in den Metallen in genauen Winkeln und Abständen zueinander stehen. Werden diese Atome gedanklich miteinander verbunden, entsteht ein Gitterartiges Gebilde, welches als Kristallgitter bezeichnet wird. Die kleinste Einheit in so einem Gitter ist die Elementarzelle.

Der Feinbau von Metallen wird als kristalline Struktur oder kristalliner Aufbau bezeichnet.

Metallbindung und Festigkeit

Die Metallbindung sorgt bei einem festen Aggregatzustand für einen festen Zusammenhalt der Teilchen. Bei der Gewinnung des Metalls direkt nach der Reduktion des Erzes werden die Atome zusammengelegt und so entsteht diese Bindung. Dabei werden locker gebundene Elektronen der Metallatome (Metallionen) abgegeben. Die Elektronen umgeben dann die Atome können die Elektronenwolke jedoch nicht verlassen. Dadurch werden die Atome zusammengehalten.

Die Metallbindung bewirkt den äußeren festen Zusammenhalt der Metallteilchen und damit die Festigkeit der Metalle.

Elektrische Leitfähigkeit

Die frei beweglichen Elektronen können durch eine angelegte elektrische Spannung in Bewegung gesetzt werden, so dass elektrischer Strom durch das Metall fließt.

Metalle sind gute elektrische Leiter.

Verformungsverhalten der Metalle

Metalle verformen sich bei geringer Belastung bis zu ihrer Streckgrenze elastisch (Elastizitätsmodul). Eine Belastung darüber hinaus verformt das Metall plastisch – also dauerhaft. Dieses Verformungsverhalten beruht auf den kristallinen Aufbau von Metallen.

Bei geringer Krafteinwirkung verschieben sich die Teilchen nur wenig und federn anschließend wieder an ihren Ursprungspunkt zurück (Elastische Verformung). Ist die Belastung zu groß wird die obere Atomlage von einer stabilen Übereinander-Anordnung auf eine Auf-Lücke-Anordnung verschoben. Diese Anordnung bleibt auch dann erhalten, wenn die Krafteinwirkung wieder weggenommen wird (Plastische Verformung). Die Verformung und somit Verschiebung der Atmolagen kann solange voranschreiten, bis alle Atomlagen im belasteten Bereich verschoben sind. Danach führt eine weitere Belastung zum Bruch.

Die oberen beiden Atomlagen liegen „Auf Lücke“ zu den unteren drei Lagen. Eine plastische Verformung hat stattgefunden.

Kristallgittertypen der Metalle

Die Atome können bei unterschiedlichen Metallen verschiedenen Anordnungen vorgefunden werden. Diese sind von der Metallart und teilweise auch von der Temperatur abhängig.

Metalle haben kubisch-raumzentrierte, kubisch-flächenzentrierte oder hexagonale Kristallgitter

Die grafische Darstellung der Anordnung von Metallatomen erfolgt dabei anhand einer Elementarzelle.

Kubisch-raumzentriertes Kristallgitter

Beim kubisch-raumzentrierten Kristallgitter sind die Atome so angeordnet, dass sie einen Würfel erzeugen, würden ihre Mittelachsen gedanklich verbunden werden. Dieses Kristallgitter ist typisch für: Eisen < 911°C, Chrom, Wolfram und Vanadium.

Kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter

Das kubisch-flächenzentrierte Kristallgitter (kfz) ist ähnlich aufgebaut wie das kubisch-raumzentrierte Kristallgitter. Es hat jedoch ein zusätzliches Atom auf jeder Seitenfläche des gedachten Würfels. Dieses Kristallgitter ist typisch für Aluminium, Kupfer, Nickel und Eisen > 911°C.

Hexagonales Kristallgitter

Bei dem Hexagonalesn Kristallgitter (hex) bilden die Metallatome ein sechseckiges Prisma mit je einem Atom in der Mitte der Grundflächen, sowie drei Atomen innerhalb des Prismas. Dieser Gittertyp ist typisch für Magnesium, Zink und Titan.

Gitterbaufehler

Nulldimensionale Gitterfehler

  • Leerstellen sind freie Gitterplätze, die im regulären Gitter besetzt sind.
  • Zwischenatome sitzen auf Plätzen die im regulären Gitter unbesetzt sind. Solche Defekte werden auch als interstitelle Fehlstellen bezeichnet.
  • Substitutionsatome sitzen auf Gitterplätzen, die im regulären Gitter durch eine andere Atomart besetzt sind.
  • Beim Frenkel-Paar verlässt ein Atom seinen regulären und rückt an eine Stelle, die normalerweise nicht besetzt ist. Dadurch entsteht eine Leerstelle und ein Zwischengitteratom

Eindimensionale Gitterfehler

  • Versetzungen (Eine ganze Lage von Atomen ist eingeschoben oder fehlt).

Zweidimensionale Gitterfehler

  • Korngrenzen trennen zwei Körner eines Kristalls. dass heißt zwei Bereiche mit unterschiedlicher räumlicher Orientierung des Gitters.
  • Stapelfehler

Dreidimensionaler Gitterfehler

  • Poren sind offene oder geschlossene Hohlräume im Kristall, die mit Gas oder Flüssigkeit gefüllt sind.
  • Einschlüsse sind feste Fremdphasen.

Hinweis: Ich schreibe diesen Artikel als Lernender. Daher ist mein Verfahren vielleicht nicht immer das sauberste. Obwohl dieser Artikel sorgfältig recherchiert und erarbeitet ist übernehme ich keinerlei Haftung für die Richtigkeit der Inhalte. Solltet ihr einen Fehler finden, oder eine bessere Möglichkeit sehen, dann würde ich mich über einen Kommentar sehr freuen.

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