Struktur und Eigenschaften von Metalllegierungen
Inhaltsverzeichnis
Warum reine Metalle nicht ausreichen
Obwohl reine Metalle einzigartige Eigenschaften aufweisen, reichen sie in der technischen Praxis selten aus. Aluminium, Eisen und Kupfer in ihrer reinen Form sind oft zu weich, nicht abriebfest, korrosionsbeständig oder hitzebeständig, um den Anforderungen moderner Baumaterialien gerecht zu werden. Deshalb sucht man seit Jahrhunderten nach Möglichkeiten, Metalle zu verbessern – und so entstanden Legierungen, also Mischungen aus zwei oder mehr Elementen, von denen mindestens eines ein Metall ist.
Verschiedene Komponenten können geschmolzen und ihre Erstarrung gesteuert werden, um völlig neue Werkstoffe herzustellen. Deren mechanische, physikalische und chemische Eigenschaften lassen sich präzise auf bestimmte Anwendungen zuschneiden. Ein Beispiel ist Stahl, dessen Härte und Festigkeit sich drastisch verändern, sobald man ihm Kohlenstoff zusetzt, während er dadurch auch zu einem der häufigsten und vielseitigsten Werkstoffe für den Maschinenbau wird.
Die Eigenschaften von Legierungen resultieren nicht nur aus dem Vorhandensein von Legierungselementen, sondern auch und oft in erster Linie aus ihrer inneren Struktur. Die Anordnung der Atome im Kristallgitter, die Verteilung der einzelnen Elemente im Material, das Auftreten verschiedener Phasen und Umwandlungen – all diese Faktoren sind entscheidend für das Verhalten einer Legierung unter realen Betriebsbedingungen. Wenn man die Zusammenhänge versteht, kann man Werkstoffe gezielt gestalten. Das geht nicht nur, indem man die chemische Zusammensetzung auswählt, sondern auch, indem man die innere Struktur steuert.
In den folgenden Abschnitten dieses Artikels werden wir verschiedene Arten von Legierungsstrukturen untersuchen, von festen Lösungen über intermetallische Verbindungen bis hin zu komplexen Phasen mit ungewöhnlichen elektronischen Strukturen. Wir werden sehen, dass das, was auf atomarer Ebene geschieht, das Verhalten des gesamten Materials bestimmt, da alles Materie ist.
Metalllegierungen im flüssigen und gasförmigen Zustand
Metalllegierungen werden in der Regel in ihrem festen Zustand analysiert. Ihre Geschichte beginnt jedoch viel früher, nämlich wenn die Bestandteile in flüssiger Form miteinander verbunden werden. In diesem Zustand sind die Atome zufällig angeordnet. Sie bewegen sich frei zueinander. So bilden sie eine homogene Mischung. Das gilt aber nur, sofern sie gegenseitig löslich sind. Typische Eigenschaften von Flüssigkeiten werden von flüssigen Legierungen wie geschmolzenem Eisen, Kupfer oder Aluminium aufgewiesen, nach dem Erstarren können aber auch komplexe Strukturen gebildet werden.
Im flüssigen Aggregatzustand findet eine äußerst intensive Diffusion statt, die eine homogene Verteilung der Elemente im gesamten Metallvolumen begünstigt. Aus praktischer Sicht wird die Kontrolle über den Guss- oder Erstarrungsprozess durch die gute Mischbarkeit der Komponenten und ihre chemische Homogenität in der Flüssigkeit erleichtert. Dennoch beginnt die Bildung der Legierungsstruktur erst im Moment der Kristallisation, und der Verlauf dieses Prozesses hängt nicht nur von der Zusammensetzung, sondern auch von der Abkühlgeschwindigkeit und dem Vorhandensein von Kristallisationskeimen ab.
Unter besonderen Bedingungen können auch gasförmige Legierungssysteme entstehen. Diese sind jedoch eher von labortechnischer als von industrieller Bedeutung. Ein Beispiel hierfür sind Metallgemische im Dampfzustand, die homogene Systeme bilden. In diesen können die Dämpfe der einzelnen Komponenten vor der Kondensation miteinander reagieren. Diese Phänomene sind in verschiedenen Bereichen von Bedeutung, etwa in der Vakuumbeschichtungstechnik und in der physikalisch-chemischen Forschung. Dort werden Phasengleichgewichte über einen weiten Temperaturbereich analysiert.
Sowohl der flüssige Zustand als auch, in begrenztem Umfang, der gasförmige Zustand spielen in der Werkstofftechnik während der Anfangsphasen der Legierungsstrukturbildung eine entscheidende Rolle. Oftmals werden in der flüssigen Lösungsphase die chemische Homogenität, Reinheit und Formbarkeit einer bestimmten Phase nach der Erstarrung bestimmt. Daher ist das Verständnis der bei hohen Temperaturen auftretenden Phänomene ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung und Qualitätskontrolle moderner Metalllegierungen.
Mischkristalle
Wenn die flüssige Legierung kristallisiert, beginnen die Atome der einzelnen Elemente, bestimmte Positionen im entstehenden Kristallgitter einzunehmen. Wenn die Atome eines Fremdelements in die Kristallstruktur des Grundmetalls eindringen und eine homogene Phase mit einer konstanten Verteilung der Bestandteile bilden, spricht man von einer Mischkristall. Diese Art von Struktur bildet die Grundlage für die meisten industriellen Metalllegierungen und stellt die grundlegende Form der Materialverstärkung dar, wodurch die Herstellung separater chemischer Verbindungen überflüssig wird.
Festlösungen können nur entstehen, wenn die Atome verschiedener Elemente hinsichtlich ihrer Größe, Gitterstruktur und Elektronenstruktur ausreichend kompatibel sind. Sind diese Bedingungen erfüllt, können die Fremdatome in das Kristallgitter des Grundmetalls eingebaut werden. Dabei wird das Grundmetall nicht wesentlich verzerrt. Diese Anordnung ermöglicht es, die Phasenkontinuität aufrechtzuerhalten und gleichzeitig lokale Störungen einzuführen, die die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Materials erheblich beeinflussen.
Ein wichtiges Merkmal von festen Lösungen ist ihre Einphasigkeit. Das Material hat eine einheitliche Kristallstruktur, die unabhängig von der Anzahl der Komponenten ist. Dadurch ist es von Mehrphasensystemen zu unterscheiden, in denen mehrere verschiedene Kristallisationsformen nebeneinander existieren. Feste Lösungen ermöglichen es somit, die Kohäsion des Materials zu bewahren und gleichzeitig seine Eigenschaften, wie beispielsweise Festigkeit, Härte oder Korrosionsbeständigkeit, zu beeinflussen.
Nahezu jede technische Legierung – von Bronzen und Messingen über legierte Stähle bis hin zu Nickel-Superlegierungen – enthält feste Lösungen als grundlegenden Strukturbestandteil. Das Material zeigt bestimmte Eigenschaften, wenn es in eine plastische Form gebracht wird. Es reagiert auf Temperaturveränderungen und altert oder durchläuft Phasenumwandlungen während des Gebrauchs.
Intergranulare und intragranulare feste Lösungen
Obwohl der Begriff „feste Lösung” eine homogene Phase bezeichnet, kann ihre tatsächliche Beschaffenheit je nach Verteilung der Fremdatome im Kristallgitter des Grundmetalls unterschiedlich sein. Es gibt zwei Grundtypen von Lösungen: interstitiell und intrastipital, die jeweils einen unterschiedlichen Mechanismus zur Einlagerung von Fremdatomen aufweisen und unterschiedliche Auswirkungen auf die Eigenschaften des Materials haben.
In Lösungen, die zwischen den festen Teilen des Metalls sind, ersetzen die Atome der Verunreinigung einen Teil der Atome des Grundmetalls an den normalen Plätzen im Metallgitter. Das bedeutet: Die Verunreinigungen treten in die Struktur des Gitters ein. Dabei bleiben Art und Symmetrie erhalten. Sie verändern die lokalen Abstände zwischen den Atomen. Außerdem verändern sie die inneren Spannungen. Wenn der Atomradius des Verunreinigungselements nahe dem des Mutteratoms liegt und gleichzeitig die strukturelle und elektronische Kompatibilität erhalten bleibt, können solche Lösungen entstehen. Ein Beispiel für ein solches System ist eine Kupfer-Nickel-Legierung. Hier weisen beide Gitter ähnliche kristallographische Parameter auf. Das bedeutet, dass Nickelverunreinigungen leicht Kupferatome ersetzen können.
In interstitiellen Lösungen hingegen besetzen die Atome des Verunreinigungselements keine Gitterplätze, sondern dringen in die freien Räume – die sogenannten interstitiellen Hohlräume – zwischen den Atomen des Grundmetalls ein. Diese Art von Lösung ist charakteristisch für Situationen, in denen die Verunreinigungsatome viel kleiner sind als die Lösungsmittelatome. Bei Metallen trifft dies meist auf nichtmetallische Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff oder Wasserstoff zu, die in die Metallstruktur eindringen und sogenannte interstitielle Lösungen bilden können. Ein klassisches Beispiel hierfür ist Stahl. Stahl ist eine Lösung aus Eisen und Kohlenstoff. Kleine Kohlenstoffatome sind in die Zwischenräume zwischen den Eisenatomen eingebettet.
Beide Arten von festen Lösungen beeinflussen die mechanischen Eigenschaften von Metallen erheblich. Wenn Verunreinigungen in die Gitterknoten oder die Zwischengitterräume eingebracht werden, kommt es zu lokalen Störungen in der Struktur. Das führt dazu, dass die Bewegung von Versetzungen behindert wird und somit die Härte und Festigkeit der Legierung erhöht wird. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit der Beeinflussung der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit, der chemischen Beständigkeit und des Verhaltens des Materials bei der plastischen Verformung.
Wie das Kristallgitter die Eigenschaften von Metalllegierungen beeinflusst
In einer perfekten festen Lösung können sich die Verunreinigungsatome im Kristallgitter des Grundmetalls zufällig verteilen. Das führt dazu, dass sich die Fremdatome statistisch gesehen gleichmäßig unter den Lösungsmittelatomen verteilen. In vielen Fällen, insbesondere bei geeigneten Konzentrationsverhältnissen und unter bestimmten Temperaturbedingungen, neigen Atome jedoch zu einer geordneten Anordnung im Gitterraum. Anstelle einer zufälligen Anordnung bilden sie sich wiederholende Konfigurationen, die zur Bildung von geordneten Strukturen mit ihren charakteristischen physikalischen Eigenschaften führen.
Diese Art von Ordnung besteht aus Atomen verschiedener Elemente, die streng definierte Positionen im Gitter einnehmen und eine Überstruktur bilden, in der sich vorhersagen lässt, welcher Atomtyp an einem bestimmten Knotenpunkt zu finden ist. Strukturen wie diese entstehen in der Regel, wenn starke chemische Wechselwirkungen oder Unterschiede in der Bindungsenergie zwischen den Elementen der Legierung bestehen. Solche Unterschiede können bestimmte räumliche Konfigurationen begünstigen. Der Ordnungsprozess kann spontan während der langsamen Abkühlung der Legierung ablaufen oder durch geeignete Wärmebehandlung gezielt herbeigeführt werden.
Die Ordnung der Atome verändert nicht nur die lokale Geometrie des Kristallgitters, sondern beeinflusst auch die mechanischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Materials. Im Vergleich zu ungeordneten Lösungen weisen geordnete Strukturen oft eine höhere Härte und thermodynamische Stabilität auf, können aber auch durch eine geringere Plastizität gekennzeichnet sein, was für strukturelle und technologische Anwendungen von Bedeutung ist.
Ein Beispiel für eine geordnete Struktur ist das Cu₃Au-System. In diesem System nehmen Kupfer- und Goldatome bestimmte Positionen in einem raumzentrierten kubischen Gitter ein. In dieser Konfiguration entsteht eine Phase mit einer regelmäßigen Atomverteilung. Diese verleiht dem Material Eigenschaften. Diese sind in einer standardmäßigen, zufälligen Lösung derselben Elemente nicht vorhanden. Auch charakteristische Beugungseffekte können auftreten, wenn geordnete feste Lösungen vorliegen. Röntgenstrahlen können solche Lösungen nachweisen und analysieren.
Die Einführung einer strukturellen Ordnung ist eine der subtileren Methoden zur Beeinflussung von Materialeigenschaften. Sie verbessert nicht nur die Leistung, sondern ermöglicht auch eine präzise Steuerung der Struktur auf atomarer Ebene. Dies macht sie zu einem zunehmend begehrten und weit verbreiteten Werkzeug in der heutigen Werkstoffindustrie.
Intermetallische Phasen und chemische Verbindungen
In bestimmten Legierungssystemen bilden sich neue Kristallstrukturen. Diese unterscheiden sich sowohl vom Grundmetall als auch vom Legierungselement. Es entstehen völlig neue Strukturen, weil sich einfache feste Lösungen bilden. Stattdessen entstehen also selbst geordnete neue Kristallstrukturen. Diese neuen, unabhängigen Strukturformen, die als intermetallische Phasen bezeichnet werden, gehören zu den komplexesten Phänomenen in der Legierungstechnik. Obwohl sie wie Mischungen aus zwei oder mehr Elementen erscheinen, ähneln sie in ihrer Beschaffenheit eher chemischen Verbindungen als typischen Lösungen.
Intermetallische Phasen zeichnen sich dadurch aus, dass die Atome der sie bildenden Elemente in einem streng definierten Verhältnis zueinander stehen. Ihre chemische Zusammensetzung ist also nicht fließend, sondern beschränkt sich auf einen engen stöchiometrischen Bereich. Ihre Kristallstruktur weist eine regelmäßige, geordnete Anordnung der Atome in spezifischen, oft komplexen Konfigurationen auf. Diese unterscheiden sich mitunter vollständig von den Grundstrukturen von Metallen. Hierbei kann es sich um würfelförmige, viereckige, fünfeckige oder sogar sechseckige Strukturen mit einer großen Menge an Atomen in der Zelle handeln.
Die Bildung intermetallischer Phasen ist meist das Ergebnis starker chemischer Wechselwirkungen zwischen den Komponenten, wie z. B. Unterschiede in der Elektronegativität, im Ionenradius oder in den elektronischen Strukturen. Sie sind häufig das Ergebnis eines lokalen Energiegleichgewichts. Dabei erweist sich die regelmäßige, kompakte Anordnung der Atome als vorteilhafter als die für feste Lösungen charakteristische zufällige Anordnung. Beispiele für solche Phasen sind Fe₃C (Zementit), Mg₂Pb und CuZn sowie exotischere Anordnungen, die in Titan-, Nickel- und Aluminiumlegierungen verwendet werden.
Die Eigenschaften eines Werkstoffs werden in erheblichem Maße von den intermetallischen Phasen beeinflusst. Die Härte und Abriebfestigkeit kann durch sie erheblich erhöht werden, da sie oft sehr spröde und schwer verformbar sind. Andererseits kann ihr Vorhandensein die Plastizität und Bearbeitbarkeit verringern, was eine sorgfältige Abstimmung ihrer Menge und Verteilung erfordert. In technischen Werkstoffen, insbesondere in Stählen und Superlegierungen, sind diese Phasen oft bewusst kontrollierte Bestandteile der Mikrostruktur, die durch geeignete Wärmebehandlungen wie Glühen oder Altern erreicht werden.
Die moderne Metallurgie steht vor der großen Herausforderung, das Auftreten intermetallischer Phasen zu beherrschen. Ihre adäquate Bildung vermag die Fabrikation von Werkstoffen mit singulären Eigenschaften zu befördern – von außerordentlich harten Gerätschaften über kriechfeste Legierungen bis hin zu zeitgenössischen Funktionsbeschichtungen für die Luft- und Raumfahrttechnik.
Elektronen- und Zwischengitterphasen
Neben klassischen festen Lösungen und intermetallischen Phasen weisen einige Metalllegierungen noch komplexere Systeme auf, die als Elektronenphasen und Zwischengitterphasen bezeichnet werden. Ihre Bildung unterliegt nicht mehr allein der Kristallgittergeometrie und einfachen stöchiometrischen Beziehungen, sondern komplexeren elektronischen Wechselwirkungen, die ihre Stabilität und Eigenschaften beeinflussen.
Elektronenphasen entstehen in Legierungen, bei denen nicht das Atomverhältnis, sondern das Verhältnis der Valenzelektronen zur Anzahl der Atome im Kristallgitter für die Stabilität der Struktur entscheidend ist. Vereinfacht ausgedrückt wird eine bestimmte Konfiguration energetisch günstig oder ungünstig durch eine bestimmte Anzahl von Elektronen pro Struktureinheit bestimmt. Dieses Muster wurde im Rahmen des Hume-Rothery-Konzepts detailliert dargestellt, was verdeutlicht, dass in spezifischen Legierungen, vor allem solchen mit Übergangsmetallen, die Entstehung geordneter Strukturen von Schwellenwerten der Elektronenzahl pro Atom von der Bildung geordneter Strukturen abhängt. Damit lässt sich vorhersagen, welche Phasen sich in einem bestimmten Legierungssystem bilden, auch wenn die Unterschiede in den Atomradien und der Elektronegativität nicht sofort erkennbar sind.
Interstitiell-Phasen hingegen sind charakteristisch für Systeme, in denen kleine Atome wie Kohlenstoff, Bor oder Wasserstoff die Leerstellen innerhalb des Kristallgitters eines größeren Metalls besetzen und stabile Systeme mit genau definierten stöchiometrischen Verhältnissen bilden. Im Gegensatz zu einfachen interstitiellen Lösungen ist die Anordnung der kleinen Atome hier nicht zufällig, sondern erfolgt nach einem bestimmten Prinzip. Dennoch folgt sie bestimmten Regeln, was zur Bildung einer hochgeordneten Struktur mit einer ausgeprägten Einheitszelle führt, die ihrerseits wiederum bestimmten Regeln folgt. Ein Beispiel für eine solche Phase ist Zementit (Fe₃C). Bei diesem Material dringen Kohlenstoffatome in die Eisenstruktur ein. Sie bilden eine Verbindung, die sehr hart, aber spröde ist.
Sowohl elektronische als auch interstitielle Phasen sind aus materialtechnischer Sicht von entscheidender Bedeutung. Das Vorhandensein bestimmter Elemente in einer Legierung kann deren mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften erheblich verändern. Dank ihrer kontrollierten Ausscheidung ist es möglich, Materialien mit erhöhter Kriechfestigkeit, erhöhter Härte und Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und aggressive chemische Umgebungen herzustellen. Solche Eigenschaften werden insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Kernkraftindustrie und im Werkzeugbau geschätzt, wo es keinen Spielraum für Kompromisse zwischen Haltbarkeit und Sicherheit gibt.
Ihre Strukturen sind komplex. Ihre Entstehungsmechanismen sind ohne fortgeschrittene Forschungsmethoden schwer zu verstehen. Trotzdem werden diese Phasen immer häufiger genutzt. Damit meinen wir die gezielte Modellierung der Mikrostruktur und der Eigenschaften moderner Werkstoffe.
Struktur und Eigenschaften von Metalllegierungen – Zusammenfassung
In der modernen Werkstofftechnik geht es nicht nur um die Auswahl der richtigen Elemente, sondern vor allem um die bewusste Gestaltung der inneren Struktur von Werkstoffen, von der atomaren Ebene bis zur Mikro- und Makrostruktur. Metalllegierungen sind nicht nur ein mechanisches Gemisch aus Komponenten, sondern komplexe Systeme. Die endgültigen physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften dieser Systeme werden durch die Anordnung der Atome, ihre Wechselwirkungen und ihre Organisation im Raum bestimmt.
Das Verständnis der Mechanismen der Bildung von festen Lösungen, intermetallischen Phasen und Elektronenphasen sowie deren Einfluss auf die Kristallstruktur ermöglicht es uns, nicht nur das Verhalten bekannter Werkstoffe besser zu interpretieren, sondern auch neue Werkstoffe mit genau definierten Eigenschaften zu entwickeln. Dank dieses Wissens werden heute Legierungen entwickelt, die den extremen Temperaturen von Düsentriebwerken standhalten. Diese Formgedächtnislegierungen reagieren auf thermische Reize, und es gibt Stähle, die selbst in den anspruchsvollsten industriellen Umgebungen verschleißfest sind.
Die Struktur von Legierungen ist daher nicht nur Gegenstand theoretischer Analysen, sondern bildet auch die Grundlage für alle technologischen, konstruktiven und betrieblichen Aktivitäten. Die Fähigkeit, vorherzusagen, wie sich ein bestimmter Zusatzstoff auf die Struktur auswirkt, ist eines der wichtigsten Werkzeuge eines Werkstoffingenieurs. Ebenso die Kenntnis der möglichen Phasen in einem bestimmten System. Daher bleibt die Vertiefung unseres Wissens über die innere Struktur von Metallen und ihren Legierungen ein Schlüsselelement für die Entwicklung moderner Technologien und einer innovationsbasierten Industrie.
