Flächenförmige Fehlstellen

Im Vergleich zu linienförmigen Gitterbaufehlern stören flächenförmige Fehlstellen die Gitterstruktur in einem räumlich größeren Bereich. In diese Kategorisierung der sogenannten 2-dimensionalen Gitterfehler fallen folgende Defekte:

  • Großwinkelkorngrenzen
  • Kleinwinkelkorngrenzen
  • Phasengrenzen
  • Stapelfehler

(Großwinkel-)Korngrenzen grenzen Bereiche in einem Kristall ab, innerhalb deren das Gitter eine einheitliche Ausrichtung zeigt. Diese Grenzen sind strukturlose Bereiche mit einer Dicke in der Größenordnung von nur 2 bis 4 Atomabstände. Die einheitlich ausgerichteten Bereiche selbst werden als Körner oder auch als Kristallite zeichnet. Die Elementarzellen sind bei jedem Korn identisch, sie haben lediglich eine andere räumliche Ausrichtung (gedreht, gespiegelt, etc.).

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Abbildung: Großwinkelkorngrenze

Die Körnerstruktur entsteht beim Erstarren der Metallschmelze, da eine Schmelze in der Regel nicht ausgehend eines einzigen Punktes sondern an vielen Stellen gleichzeitig erstarrt (Ausnahme: Einkristalle!). An jedem dieser Erstarrungspunkte (sog. Keime) bildet sich das Gitter mit einer eigenen Ausrichtung. Die wachsenden Körner stoßen nach dem vollständigen Erstarren der Schmelze aneinander und bilden somit die Korngrenzen.

Eine Abweichung der Kristallausrichtung kann auch entstehen, wenn mehrere Versetzungen übereinander liegen. Da dieser Fehler die Gitterausrichtung nur um wenige Grad (< 10°) ändern, spricht man auch von einer Kleinwinkelkorngrenze. Aufgrund der besseren Abgrenzung hierzu werden die oben beschriebenen Korngrenzen häufig auch als Großwinkelkorngrenzen bezeichnet.

Gitterdefekte, Gitterfehler, Versetzungen, Kleinwinkel-Korngrenze

Abbildung: Kleinwinkelkorngrenze

Eine spezielle Art der Korngrenze bildet die sogenannte Zwillingskorngrenze. Dabei sind die gegenüberliegenden Gitter in ihrer Ausrichtung gerade spiegelbildlich zueinander angenordnet. Eine solche Zwillingskorngrenze besitzt eine hohe Symmetrie und damit niedrige Energie. Zwillingskorngrenzen sind unter dem Mikroskop häufig als gerade Linien im Gefüge erkennbar, während sich "normale" Korngrenzen eher durch gekrümmte Linien auszeichnen. Zwillingskorngrenzen werden in den Metallen Messing, Kupfer und Austenit (\(\gamma\)-Eisen) sehr häufig gebildet. Während Korngrenzen im Allgemeinen inkohärente Grenzflächen bilden, zeigen Zwillingskorngrenzen eine vollständig kohärente Grenzfläche (zum Begriff der Kohärenz siehe nächster Abschnitt).

Die sogenannte Phasengrenze bildet eine weitere Art der flächenförmigen Gitterfehler. Als Phase bezeichnet man einen Raumbereich mit einer einheitlicher chemischen Struktur. Hierbei kann es sich bspw. um eine Ansammlung von Legierungselementatomen im Wirtsgitter des Metalls handeln. Eine Phasengrenze grenzt somit räumlich zwei unterschiedliche chemische Strukturen voneinander ab. Je nachdem wie die Strukturen der unterschiedlichen Phasen ineinander übergehen unterscheidet man zwischen einer kohärenten, teilkohärenten oder inkohärenten Phasengrenze.

Bei einer kohärenten Phasengrenze gehen die beiden Strukturen praktisch lückenlos ineinander über. Dies trifft dann zu, wenn die beiden Phasen eine übereinstimmende Struktur aufweisen und über ähnliche chemische Eigenschaften verfügen. Weichen die Phasen in ihren Eigenschaften jedoch etwas voneinander ab, so gehen die Gitterstrukturen nicht mehr vollständig ineinander über. Es müssen in regelmäßigen Abständen Versetzungen eingebaut werden. Man spricht dann von einer teilkohärenten Phasengrenze. Bei einer inkohärenten Phasengrenze hingegen, passen weder die Gitterstrukturen noch die chemischen Eigenschaften der beiden Phasen zusammen. Die Struktur ist ähnliche einer Großwinkelkorngrenze, besteht jedoch aus zwei unterschiedlicher aneinandergrenzender Phasen, die ihrerseits nicht in dem Maße verzerrt sind wie dies bei einer Großwinkelkorngrenzen der Fall ist.

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Abbildung: Phasengrenzen

Ein weiterer flächenförmiger Defekt ist der sogenannte Stapelfehler. Es handelt sich dabei um eine lokal abweichende Stapelfolge der ansonsten periodisch angeordneten Ebenen. So kann bspw. die Stapelfolge der dichtestgepackten Ebenen im kubisch-flächenzentrierten-Gitter mit normalerweise ABCABC lokal die Folge ABACAB aufweisen. Solche Stapelfehler können entstehen, wenn sich eine Versetzung in zwei kleinere Versetzungen aufteilt.