Gleitsystem

Plastische Verformungsvorgänge in Metallen lassen sich also auf ein Abgleiten von Gitterblöcken auf Gitterebenen zurückführen. Dabei bezeichnet man als Gitterebene eine beliebig gedachte Ebene die regelmäßig mit Atomen belegt ist (oft auch Netzebene genannt). Als Gitterebenen kommen also prinzipiell nicht nur diejenigen Ebenen in Frage mit denen im Kapitel Wichtige Gittertypen der Aufbau der unterschiedlichen Gittertypen erläutert wurde.

Die Abbildung zeigt schematisch mögliche Gitterebenen in einem Kristall. An dieser Stelle sei nochmals ausdrücklich erwähnt, dass die "Gitterstäbe" bei der Abbildung von Elementarzellen keine Bindungen darstellen. Nur weil zwei Atome mit einem Gitterstab verbunden sind, bedeutet dies nicht notwendigerweise, dass auch eine besonders starke Bindung zwischen diesen Atomen herrscht! Somit bilden bspw. in kubischen Gittertypen nicht nur die Außenflächen der Würfel Gitterebenen sondern auch beliebig schräg hierzu verlaufende Ebenen. Man sollte sich dabei die Gitterstäbe einfach weggedackt vorstellen [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung].

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Abbildung: Atomebenen

Kann auf einer solchen Gitterebene ein Abscheren von ganzen Atomschichten stattfinden, denn bezeichnet man diese Ebene auch als Gleitebene. Grundsätzlich existieren in einer Gitterstruktur zwar unzählig viele Atomebenen, aber nicht alle eignen sich unter normalen Bedingungen auch als Gleitebenen. Grund hierfür sind letztlich die zwischen den Atomen wirkenden elektrostatischen Kräfte, die die Atomebenen mehr oder weniger stark aneinander binden. Bevorzugt dienen in einer Gitterstruktur jene Gitterbenen als Gleitebenen, die einen möglichst großen Abstand zueinander haben (→ "geringe Anziehungskräfte zwischen den Ebenen") bzw. möglichst viele Atome beinhalten (→ "ermöglicht ein 'sanftes' Abgleiten der Ebenen"). Welche Ebenen als Gleitebenen in einem Kristalltyp jeweils in Frage kommen, wird in den entsprechenden Abschnitten näher erläutert.

Die Verschiebbarkeit einer Gleitebene ist aus energetischen Gründen grundsätzlich nicht in alle Richtungen gleichermaßen gegeben. So wird sich eine Gleitebene nur sehr schwer in jene Richtung bewegen lassen bei der sich die Stapelfolge ändern würde, denn dann würde bspw. aus einem kubisch-flächenzentrierten Gitter ein hexagonales Gitter entstehen. Aber schließlich hat es ja energetische Gründe weshalb ein Gitter in einem bestimmten Gittertyp kristallisiert.

Anmerkung: Tatsächlich können auch Metall ihre Gitterstruktur ändern, wenn sich die thermodynamischen Verhältnisse, insbesondere die Temperatur, ändern. Dieses Phänomen wird Allotropie genannt und im entsprechenden Kapitel näher behandelt.

Für eine gute Verformbarkeit muss ein Metall also neben einer Vielzahl an unterschiedlichen Gleitebenen auch eine möglichst hohe Anzahl an Gleitrichtungen aufweisen. Erst diese Kombination aus Gleitebenenanzahl und Gleitrichtungsanzahl entscheidet über die gesamten Gleitmöglichkeiten und damit über die Verformbarkeit. Die Kombination aus Gleitebene und Gleitrichtung wird auch als Gleitsystem bezeichnet. Deshalb gilt:

  • Die Anzahl der Gleitsysteme beschreibt die Gleitmöglichkeiten einer Gitterstruktur und ist somit ein Maß für deren Verformbarkeit. 

Die unterschiedlichen Gitterstrukturen (kfz, krz, hex, hdp, ...) weisen nun sowohl in der Quantität als auch in der Qualität jeweils unterschiedliche Anzahlen an Gleitsystemen auf. Dies ist primär Ursache dafür, weshalb Metalle je nach Gittertyp unterschiedlich stark verformbar sind.

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Abbildung: Wichtige Gittertypen und deren Verformbarkeit

Metalle wie bspw. Magnesium, Kobalt, Zink oder Titan lassen sich unter normalen Bedingungen kaum plastisch verformen. Alle diese Metallen haben gemeinsam, dass diese in einer hexagonal-dichtestgepackten Gitterstruktur vorliegen (hdp-Gitter). Dieser Gittertyp bietet offensichtlich nur wenige Gleitmöglichkeiten im Kristall. Metalle wie bspw. Aluminium, Blei, Kupfer und Nickel weisen hingegen eine sehr gute Verformbarkeit auf. Dies liegt an ihrer kubisch-flächenzentrierten Struktur, die offensichtliche vielen Gleitmöglichkeiten besitzt (kfz-Gitter). Die Verformbarkeit des kubisch-raumzentrierten Gitters liegt zwischen den oben genannten Gittertypen. Typische Vertreter dieser Struktur sind Metalle wie Eisen, Chrom, Molybdän und Vanadium (krz-Gitter).

Aufgrund der guten Verformbarkeit der kubisch-flächenzentrierten Gitterstruktur von Kupfer und Aluminium (bzw. Legierungen hiervon), werden diese Metalle häufig als sogenannte Knetwerkstoffe eingesetzt. Hingegen werden die Metalle Magnesium und Zink aufgrund ihres kaum verformbaren Gitters vorwiegend als Gusswerkstoffe genutzt.