Janko Auerswald - Grundlagen der Funktionswerkstoffe für Studium und Praxis

In Einkristallen liegt eine Richtungsabhängigkeit bzw. Anisotropie der Kristalleigenschaften vor. Auch Faserverbundwerkstoffe mit einer Vorzugsorientierung der Fasern sind anisotrop.

Einkristalline Werkstoffe verhalten sich in der Regel anisotrop ( Abb. 1.7).

Der E-Modul als Maß für die Bindungskraft ist in den meisten kubischen KristallStrukturen von Metallen wie Gold, Kupfer, α-Eisen oder Aluminium bzw. von Halbleitern wie Silizium oder Germanium in Richtung der Raumdiagonalen der kubischen Elementarzelle am größten ( Abb. 1.8). Es gibt aber auch Ausnahmen wie das kubische Wolfram, dessen E-Modul sich nahezu isotrop verhält. Ursache sind der Tensor der elastischen Konstanten und der daraus resultierende Anisotropiefaktor für kubische Kristalle, der im Kap. 2bei der elastischen Verformung genauer erläutert wird. In Kap. 2wird ebenfalls die Indizierung der Richtungen und Ebenen in Kristallen erklärt.

Ein polykristallines Gefüge ohne Vorzugsorientierung der Kristalle (ohne Textur) besteht aus vielen einzelnen anisotropen Körnern. Diese nehmen im Allgemeinen aber alle im Raum möglichen unterschiedlichen Orientierungen ein. Daher gleichen sich die Unterschiede der Eigenschaften in verschiedenen Richtungen der einzelnen Kristalle statistisch wieder aus. Der Werkstoff verhält sich als Ganzes nach außen quasiisotrop ( Abb. 1.9).

Polykristalline Gefüge mit Textur hingegen zeigen anisotrope Eigenschaften, da die Körner herstellungsbedingt eine bestimmte Vorzugsorientierung besitzen. Ein Beispiel ist die Goss-Textur in Trafoblechen. In dieser Walz-Textur liegen die Eisenkristalle mit ihren Würfelkanten parallel zum äußeren magnetischen Feld und lassen sich so leichter ummagnetisieren.

Abb. 1.8 (a) Anisotropie der meisten kubischen Einkristalle, dargestellt anhand des qualitativen Verlaufs der Größe des E-Moduls in verschiedenen Richtungen innerhalb der Elementarzelle. Eine große Pfeildicke symbolisiert einen großen E-Modul. In den meisten kubischen Metallen ist der E-Modul in den (111)-Richtungen der Raumdiagonalen am größten, in den (100)-Richtungen derWürfelkanten am kleinsten. Es gibt einige wenige Ausnahmen wie Wolfram, das sich nahezu isotrop verhält. (b) Kubischflächenzentrierte Elementarzelle (Cu, Ag, Au, Pt, Ni, y-Fe); (c) kubisch-raumzentrierte Elementarzelle (α-Fe, Cr, Mo, W).

Abb. 1.9 (a) Quasiisotropes polykristallines Gefüge ohne Textur; (b) anisotropes polykristallines Gefügemit Textur, d.h. mit einer Vorzugsorientierung der Kristalle.

Polykristalline Werkstoffe ohne Textur verhalten sich quasiisotrop . Obwohl jedes Korn für sich eigentlich anisotrop ist, wirkt der Werkstoff durch den Ausgleich der Eigenschaften wegen der statistisch zufälligen Kornorientierung nach außen isotrop.

Polykristalline Werkstoffe mit Textur verhalten sich anisotrop . Mit Textur ist eine Vorzugsorientierung der Körner gemeint, so dass sich die Eigenschaften in verschiedenen Richtungen nicht mehr statistisch ausgleichen.

Werkstoffe wie Eisen (Stahl), Siliziumoxid, Zirkoniumoxid oder Kohlenstoff können je nach Temperatur und Herstellungsbedingungen verschiedene Strukturen einnehmen ( Abb. 1.10). Diese Polymorphie (,,Vielgestaltigkeit“) wird zum Beispiel zum Härten von Stahl ausgenutzt. Reines Eisen ist von Raumtemperatur (20 °C) bis 911 °C kubisch-raumzentriert (krz Ferrit, α-Fe). Es nimmt zwischen 911 und 1392 °C eine kubisch-flächenzentrierte Struktur an (kfz Austenit, γ-Fe) und wechselt oberhalb 1392°C bis zur Schmelztemperatur (1536°C) wieder in eine kubischraumzentrierte Struktur (krz δ-Fe). Wenn Eisen viel Kohlenstoff enthält und schnell abgeschreckt wird, kann sich die austenitische Phase in die sehr harte metastabile tetragonal-innenzentrierte Phase Martensit umwandeln ( Abb. 1.11). Ebenfalls metastabil ist das amorphe Eisen, das viele Fremdatome enthält. Als dünnes Band wird es sehr schnell abgeschreckt, so dass es beim Erstarren zu wenig Zeit hat zu kristallisieren.

Auch Kohlenstoff kann verschiedene Strukturen einnehmen, z. B. als Graphit, Diamant, fußballartiges Fulleren-Nanopartikel, Kohlenstoffnanoröhrchen, zweidimensionales Graphen oder als amorpher Ruß. Graphen und Fullerene ermöglichen neue Arten von Halbleitern und Polymerhalbleitern. Darauf wird in den entsprechenden Kapiteln dieses Buches noch genauer eingegangen.

Abb. 1.10 Unten: Reines Eisen liegt von Raumtemperatur (20°C)bis911°Calsku-bisch-raumzentrierter (krz) Ferrit vor. Gezeigtsind die krz Elementarzelle mitden Positionen der Eisenatome und ein typisches Gefügebild mitKörnern und Korngrenzen. Die blaue Markierung zeigtein Korn mit seinen Korngrenzen. Oben: Zwischen 911 und 1392 °C liegt der kubisch-flächenzentrierte (kfz) Austenit vor. Neben derkfz Elementarzelle istdasGefüge unter einem Lichtmikroskop gezeigt. Charakteristische Merkmale dieses Gefüges sind die eckigen Körner und die Zwillingsfehler, d.h. Störungen der Stapelfolge der dichtest gepackten Ebenen (rote Markierungen).

Abb. 1.11 Wird dem Eisen mehr als 0.3% Kohlenstoff zulegiert und es sehr schnell in Wasser abgekühlt (abgeschreckt), so kristallisiert der kfz Austenit nicht in krz Ferrit. In einem Umklappprozess entsteht Martensit mit seiner tetragonal-innenzentrierten Elementarzelle (a). Unter dem Mikroskop ist der extrem harte Martensit an seinem nadelförmigen Gefüge erkennbar (b).

Die Keramik Zirkoniumoxid ist ebenfalls polymorph. Bei Raumtemperatur liegt im thermodynamischen Gleichgewicht eine monokline Kristallstruktur mit geringer Symmetrie vor. Durch Stabilisierung mit anderen Oxiden, z. B. Yttriumoxid Y 2O 3, existiert bei Raumtemperatur auch noch eine tetragonale Phase, die eigentlich bei höheren Temperaturen vorkommt. Läuft ein Riss durch das Material, erfolgt an der Rissspitze eine Umwandlung der tetragonalen in die monokline Phase. Damit verbunden ist ein Volumensprung an der Rissspitze, der das Risswachstum und damit einen Sprödbruch stoppen kann. Das polymorphe Verhalten beim Stoppen von Rissen eröffnet dieser besonderen Keramik Anwendungsmöglichkeiten als Hüftgelenks- und Dentalimplantat, keramisches Messer oder Wälzkörper in Lagern. Y 2O 3-stabilisiertes Zirkoniumoxid weist Sauerstoff-Leerstellen im Ionengitter auf. Es dient bei Temperaturen um die 600 °C als Sauerstoffionenleiter in LambdaSonden, z. B. bei der Messung der Sauerstoffkonzentration in Abgasgemischen.

Werkstoffe bestehen oft aus nicht nur einer Kristallsorte (homogenes Gefüge, eine Phase), sondern mehreren Kristallsorten (heterogenes Gefüge, mehrere Phasen). Abbildung 1.12zeigt ein einphasiges Gefüge von polykristallinem Silizium und ein mehrphasiges Gefüge von Gusseisen. Phasen sind ein in sich homogener Teilbereich eines Werkstoffs mit gleicher chemischer Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften. Eine Phase kann kristallin oder amorph sein. An den Phasengrenzen tritt eine sprunghafte Änderung der chemischen Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften auf.