Einfluss der Gitterorientierung

Wie sieht nun die Verformung eines Einkristalls aus, wenn dessen Gleitebenen nicht unter einem Winkel von 45° liegen? Aufgrund der ungünstigeren Lage sind in diesem Fall zunächst größere äußere Normalspannungen erforderlich damit die kritischen Schubspannung in der Gleitebene überschreiten werden.

Bei sehr ungünstiger Lage der (Haupt-)Gleitebenen kann dies dann sogar dazu führen, dass andere Gleitebenen aktiviert werden welche normalerweise erst bei größeren Spannungen zum Zuge kommen, da in diesen zuerst die kritische Schubspannung überschritten wird. Eventuell finden auch in mehreren unterschiedlichen Gleitsystemen Abgleitvorgänge statt. Dies wird der Fall sein, wenn die unterschiedlichen Gleitebenen relativ symmetrisch zur Zugachse liegen. Dann wird die kritische Schubspannung in allen ungefähr gleichzeitig erreicht. Bei kubisch-flächenzentrierten Einkristallen müssen die Elementarzellen hierfür nahezu parallel zur Zugachse ausgerichtet sein (siehe Abbildung: Gitterausrichtung eines kfz-Einkristalls). Alle vier Gleitebenen werden dann gleichermaßen aktiviert. Aufgrund der Tatsache, dass das Abscheren auf mehreren unterschiedlichen Gleitebenen stattfindet, spricht man auch von Mehrfachgleitung. Bei einer solchen Mehrfachgleitung wird der Kristall dann in unterschiedliche Richtungen verformt [fahre hierzu mit der Maus über die untere Abbildung].

Mehrfachgleitung, Einkristall, Gleitstufen

Abbildung: Mehrfachgleitung am Einkristall

Je nach Orientierung der Gleitebenen treten die Gleitstufen unter unterschiedlichen Winkeln und räumlichen Richtungen aus und sind nicht mehr so schön sichtbar wie im ersteren Teil. Dort war das kfz-Kristallgitter speziell zur Zugachse ausgerichtet, sodass nur eine Gleitebene möglichst unter einem Winkel von rund 45° zur Zugachse orientiert war. Somit wurde bei Erreichen der Grenzspannung auch nur diese Gleitebene aktiviert, während die Schubspannungen in den übrigen Gleitebenen unterhalb der kritischen Schubspannung blieben. Da in einem solchen Fall das Abgleiten nur in einer Gleitebene stattfindet, bezeichnet man diesen Vorgang auch als Einfachgleitung.

Gitterausrichtung, Einfachgleitung, Mehrfachgleitung, Einkristall, GleitstufenAbbildung: Gitterausrichtung eines kfz-Einkristalls

Die von außen anzulegende Spannung σGrenz an einen Werkstoff, damit in einer günstig gelegenen Gleitebene die kritische Schubspannung überschritten wird und es zum Abgleiten kommt, wird auch Fließgrenze, Dehngrenze oder Elastizitätsgrenze genannt. Dieser Wert bezeichnet somit die äußere Grenz(zug)spannung, ab der ein irreversibler Verformungsprozess in einem Material einsetzt. Wie im oberen Abschnitt erläutert, hängt diese Fließgrenze bei Einkristallen von der räumlichen Orientierung des Gitters ab! Den geringsten Wert der Fließgrenze erhält man bei Einkristallen folglich wenn dessen Gleitebenen unter einem Winkel von 45° zur Zugachse verlaufen.

Das ringförmige Abzeichnen der Gleitstufen unter einem Winkel von 45° zeigt sich folglich lediglich bei speziell orientierten Einkristallen. Einkristalle sind allerdings nur unter hohem technischem Aufwand herstellbar. Sie bleiben deshalb auf Spezialanwendungen wie z.B. für das Herstellen von einkristallinen Turbinenschaufeln auf Nickelbasis oder der Silizium-Chipherstellung beschränkt. In der Regel weisen Metalle keine einheitliche Gitterausrichtung auf (Achtung: der Begriff Gitterausrichtung darf nicht mit dem Begriff Gitterstruktur verwechselt werden!). Vielmehr finden sich in Metallen viele kleine mikroskopische Bereiche (Körner) mit jeweils unterschiedlicher Gitterausrichtung wieder (Polykristall genannt). Somit werden auch stets mehrere Gleitsysteme mit unterschiedlicher Gleitebenenorientierung aktiviert (Mehrfachgleitung). Ein einheitliches Austreten der Gleitstufen aus dem Werkstoff wird deshalb bei solchen Werkstoffen ohnehin nicht sichtbar. Wie es zu einer solchen uneinheitlichen Gitterausrichtung kommt wird im Kapitel Gefügeentstehung näher erläutert.

Polykristall, Gitterausrichtung, Mehrfachgleitung, Gefüge, Körner

Abbildung: Gitterorientierung der Körner eines Polykristalls