28. Dezember 2011

Was sind eigentlich … Korngrenzen?

Jeder hat sicherlich schon einmal ein verzinktes Treppengeländer oder einen verzinkten Laternenmast gesehen. Was kann man dabei beobachten? Verzinkte Stahloberflächen zeichnen sich durch besondere, flächige Strukturen aus, die je nach Lichteinfall und Beobachtungswinkel hell oder dunkel mit eher unregelmäßigen Rändern erscheinen. Diese Flächen, in denen kein weiterer Kontrast, Helligkeits- oder Farbunterschied zu erkennen ist, nennt der Werkstofftechniker Korn.

Die Flächen haben natürlich im Werkstoff auch eine räumliche Ausdehnung, somit sind Körner selbst räumliche Gebilde mit einem bestimmten Volumen, die beim Blick auf die Werkstoffoberfläche dann als Fläche erscheinen.

Körner gibt es fast in jedem metallischen Werkstoff, meist sieht man sie jedoch nicht. Sie können durch spezielle Oberflächenbehandlungen wie zum Beispiel Anätzen mit Säuren im Mikroskop oder sogar mit dem bloßen Auge (wie im Fall des verzinkten Stahls) sichtbar gemacht werden. Halten wir fest: Körner in einem Metall sind räumliche Gebilde, die bei Betrachtung mit Licht zunächst homogen erscheinen. Die Begrenzungsflächen der Körner, also die Fläche zwischen zwei Körnern, heißen Korngrenzen. An der Oberfläche unserer verzinkten Laterne erscheinen die Korngrenzen dann als Begrenzungslinien zwischen den flächigen Körnern.

Die meisten metallischen Werkstoffe enthalten Korngrenzen. Um zu verstehen was Korngrenzen sind, wenden wir uns der Frage zu: wo kommen die Körner eigentlich her?
Ausgangspunkt ist die Erstarrung von Metallen, also die Bildung eines Festkörpers aus der Metallschmelze. Dazu betrachten wir die einzelnen Metallatome in der Schmelze. Wie in Flüssigkeiten können sich diese Atome relativ frei bewegen, je höher die Temperatur desto größer die Beweglichkeit der Atome. Nun kühlen wir die Schmelze ab, die Bewegung der Atome nimmt ebenfalls ab, die Atome rücken näher zusammen.

Bei Erreichen der Erstarrungstemperatur kommen sich einzelne Atome bereits so nahe, dass die chemischen Bindungskräfte wirken können, um einen festen Zusammenhalt zwischen den Atomen einzustellen. Die Atome ordnen sich in einem Kristallgitter auf fest vorgegebenen Plätzen an. Dabei ist das entstehende Kristallgitter für jedes Metall charakteristisch. Die kleinste Baueinheit eines solchen Kristallgitters heißt Elementarzelle und kann beliebig im Raum angeordnet, man sagt auch „orientiert“, sein.

In der abkühlenden Schmelze bilden sich am Erstarrungspunkt an verschiedenen Stellen in der Schmelze Ansammlungen von Elementarzellen, sogenannte feste Keime. Diese Keime haben die räumliche Orientierung der Elementarzellen aus denen sie aufgebaut sind, d.h. ein Keim besteht aus mehreren Elementarzellen mit exakt gleicher Orientierung. Dadurch, dass sich die Keime an unterschiedlichen Stellen in der Schmelze bilden, wird auch ihre Orientierung sehr wahrscheinlich unterschiedlich sein. Im Laufe der weiteren Erstarrung lagern sich immer mehr Atome aus der Schmelze an den Keimen an, dabei müssen sich die hinzukommenden Atome an die räumliche Orientierung der Keime halten.

Am Ende der Erstarrung haben alle Atome aus der Schmelze einen Platz im Festkörper gefunden. Die Keime sind so groß geworden, dass sie das gesamte Volumen ausfüllen. Dort, wo Keime mit unterschiedlicher Orientierung zusammenstoßen, bildet sich eine Korngrenze – die Keime sind dann die bereits erwähnten Körner. Somit entstehen Korngrenzen eigentlich immer bei der Erstarrung metallischer Werkstoffe. Sie trennen stets Bereiche im Kristall mit unterschiedlicher Orientierung.

Warum interessieren uns Korngrenzen überhaupt? 
Zunächst einmal gehören Korngrenzen zu den Gitterfehlern, die in einem metallischen Werkstoff fast immer anzutreffen sind. Die meisten technologisch wichtigen Eigenschaften eines metallischen Werkstoffs sind durch das Vorhandensein von Gitterfehlern begründet. Korngrenzen haben nun großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften: Je mehr Korngrenzen vorhanden sind, desto mehr Körner gibt es im Metall, die Größe der einzelnen Körner ist in diesem Fall gering. In der Regel findet man in solchen feinkörnigen Werkstoffen auch eher regelmäßig geformte Körner. Der Werkstoff zeichnet sich durch gute Festigkeit in Kombination mit guter Zähigkeit aus, zwei Eigenschaften, die für gewöhnlich eher gegenläufig wirken. Man ist daher häufig bestrebt, Werkstoffe mit kleinen Körnern, also mit vielen Korngrenzen, herzustellen. Wie kann man das schaffen? Wir haben festgestellt, dass Körner und Korngrenzen während der Erstarrung entstehen. Man muss nun viele Keime gleichzeitig in der Schmelze erzeugen und wachsen lassen, dann erhält man am Ende der Erstarrung auch viele Körner. Das kann man z.B. erreichen, indem man die Schmelze impft, also gezielt Keimstellen, sogenannte Keimbildner, einbringt, an denen Keime entstehen können.

Aber Korngrenzen beeinflussen die Eigenschaften des Werkstoffs nicht bloß durch ihre Anwesenheit. Eine herausragende Eigenschaft von Korngrenzen ist ihre Fähigkeit, sich unter bestimmten Bedingungen zu bewegen. Was heißt nun unter bestimmten Bedingungen? Zur Bewegung von Korngrenzen braucht man im Wesentlichen zwei Dinge: ausreichend hohe Temperaturen (je höher die Temperatur, desto größer die Beweglichkeit der Korngrenzen) sowie eine treibende Kraft, die die Korngrenzenbewegung aktiviert. Das kann zum Beispiel ein Ungleichgewicht im Werkstoff, hervorgerufen durch eine Verformung, sein. Oder aber die Tendenz gekrümmter Korngrenzen, sich zu begradigen. Wenn sich Korngrenzen bewegen, verändern sie damit die Struktur des Werkstoffs und auch dessen Eigenschaften.

Aus diesem Grund ist man daran interessiert herauszufinden, wie sich Korngrenzen bewegen und wie man diese Bewegung nutzen kann, um bestimmte Werkstoffeigenschaften zu erhalten. So bestimmt die Bewegung von Korngrenzen ganz maßgeblich das Ergebnis von vielen Wärmebehandlungsverfahren – beispielsweise das Normalisieren, die Rekristallisation und das Grobkornglühen.

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