Gefüge

Ein metallischer Werkstoff besitzt im Allgemeinen keine einheitliche Gitterausrichtung (siehe hierzu auch das Kapitel Gitterbaufehler). Ausnahme hiervon bilden Einkristalle, die jedoch nur unter hohem technischem Aufwand herstellbar sind. In der Regel weisen Metalle sehr viele kleine Bereiche auf, wobei sich von Bereich zu Bereich die Orientierung des Gitters ändert. Diese Zonen konstanter Gitterausrichtung werden Körner oder Kristallite genannt. Die unterschiedlichen Körner grenzen sich durch relativ strukturlose Bereiche voneinander ab, die nur wenige Atomabstände breit sind. Diese werden als Korngrenzen bezeichnet.

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Abbildung: Schliffbild von Weicheisen

Man bezeichnet einen solchen mikroskopisch sichtbaren Aufbau im Inneren eines Werkstoffes mit seinen Körnern, Korngrenzen, Ausscheidungen, etc. auch als Gefüge. Im sogenannten Schliffbild kann das Gefüge unter einem Mikroskop betrachtet werden. Das abgebildete Schliffbild zeigt Weicheisen im nahezu kohlenstofffreien Zustand. Zu sehen sind die einzelnen Körner (weiße Bereiche) mit ihren Korngrenzen und Silikateinschlüsse (dunkle Punkte). Häufig ist es zweckmäßig ein Schliffbild nur schematisch zu zeichnen, um den wesentlichen Gefügeaufbau sichtbar zu machen [fahre hierzu mit der Maus über die obere Abbildung].

Ein körniger Gefügeaufbau wie er im oberen Schliffbild zu sehen ist, ist typisch für Metalle. Die Ursache hierfür liegt im Erstarrungprozess begründet. Flüssige Metallschmelzen beginnen in der Regel nicht in einem einzigen Punkt zu erstarren. Vielmehr setzt der Erstarrungsvorgang an vielen Punkten der Schmelze gleichzeitig ein. Solche Erstarrungspunkte werden im Allgemein auch als Keime bezeichnet. Während der Erstarrung bildet sich an jedem Keim die für das Metall typische Gitterstruktur. Die räumliche Ausrichtung der Gitter ist dabei von Keim zu Keim anders, je nachdem wie der Keim in der Schmelze liegt. Aus jedem Keim wird später ein Korn mit einer einheitlichen Gitterorientierung. Dort wo dann die Körner nach der Erstarrung aneinander stoßen, entstehen die Korngrenzen. 

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Animation: Erstarrungsvorgang einer Metallschmelze

Wird unter hohem Aufwand erreicht, dass eine Schmelze nur ein einem einzigen Keim erstarrt, so hat der gesamte Kristall später eine einheitliche Gitterausrichtung ohne Korngrenzen und man spricht von einem Einkristall. Eine solche Vorgehensweise wird bspw. bei Computer-Chips angewandt. Die im Maschinenbau verwendeten Metalle erstarren in der Regel jedoch nicht als Einkristall sondern wie in der Animation gezeigt als Vielkristall (Polykristall) mit den typischen Korngrenzen.

Korngrenzen zählen zu den zweidimensionalen Gitterfehlern, da diese die einheitliche Gitterausrichtung stören. Dies muss allerdings kein Nachteil sein, wie man vorschnell aus der Bezeichnung "Fehler" ziehen könnte. Korngrenzen tragen sogar im besonderen Maße dazu bei die Festigkeit zu steigern (siehe Abschnitt Korngrenzenverfestigung), da an den Korngrenzen der Verformungsmechanismus blockiert wird. Feinkörnige Metalle mit vielen Korngrenzen zeichnen sich somit durch eine relativ hohe Festigkeit aus.

Es stellt sich deshalb die Frage auf welche Weise man das Gefüge eines Metalls dahingehend beeinflussen kann, sodass viele Körner im Gefüge entstehen. Um diese Frage zu klären, muss der Erstarrungsprozess genauer betrachtet werden. Deshalb werden im nächsten Abschnitt die Erstarrungsbedingungen näher behandelt.