1998 LS 8.1 Gittertypen

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Gittertypen

Die metallische Bindung erzwingt durch Abstoßung und Anziehung einen festen Abstand der Atome zueinander. Da alle Metallatome einen festen Abstand zueinander haben, kommt es zu einer kristallinen (regelmäßigen) Anordnung.

Es gibt mehrere Möglichkeiten wie sich diese Atome in einem regelmäßig Anordnen können.

Zahnersatz, wie eine Brücke bestehen aus unglaubich vielen von Atomen die in einem riesigen Gitter angeordnet sind. Je nach verwendeten Material kommen bei Metallen drei typische Anordnungen vor, diese nennt man Gittertypen:

• Kubisch Raumzentrierte Gitter (KRZ)
• Hexagonal Dichtgepackteste Gitter (HDP)
• Kubisch Flächenzentrierte Gitter (KFZ)

Vereinfachte Darstellung der Gittertypen in Metallen

Das kubisch raumzentrierte Gitter (krz)

Das kubisch raumzentrierte Gitter (krz) hat 1 Atom, welches in der Mitte sitzt (also im Raum zentriert, raumzentriert) und 8 Atome, die wie an den Kanten eines Würfels angeordnet sind (daher kubisch, von Kubus=Würfel).

Da neben dem Gitter das nächste Gitter anfängt, teilt sich dieses Gitter die Atome an den äußeren Flächen mit den benachbarten Gittern. Das Atom besteht also aus 1 + 8 mal 1/4 Atomen. Damit füllen die Atome ein Volumen von 68 %, dies nennt man auch Packungsdichte (Verhältnis Atome/Volumen des Gittertyps).

Das kubisch raumzentrierte Gitter mit echten Atomdurchmesser

Vereinfacht zeichnet man das Gitter, indem man die Mittelpunkte der Atome zeichnet und diese mit Striche verbindet. Die Striche gibt es natürlich nicht. Ein vereinfachte Zeichnung des Gitters finden Sie oben in der Übersicht.

Wenn das gesamte Gitter mit krz gefüllt wird, liegen in den Lücken der KRZ Gitter jeweils die anderen KRZ Gitter. Dieses übereinander stapeln, nennt sich Stapelfolge. | Klicken hier für ein kurzes Video der Stapelfolge eines krz-Gitters

--- Bild KRZ Gitter ---

Hexagonal dichtgepackteste Gitter (HDP) Das hexagonal dichtgepackteste Gitter (HDP) ist wie ein Sandwich aus Atomen. Auf 7 Atome werden drei Atome gelegt und anschließend wieder einen Stapel der Grundfläche von 7 Atomen. Weil sich bei den 7 Atomen eine 6 Eckige Grundfläche ergibt, sagt man hexagonal (hex=6). Das dichtgepackteste kommt von der maximal Mögliche Volumeneinnahme der Atome. Die Packungsdichte (Verhältnis Atom/Volumen) beträgt nämlich 74 %. Eine höhere Packungsdichte gibt es nicht. Die Stapelfolge können Sie hier sehen : | Stapelfolge hdp.

--- Bild HDP ---

Das kubisch-flächenzentrierte Gitter (kfz) Das kubisch-flächenzentrierte Gitter (kfz) ist auch kubisch aufgebaut. An den Würfelkanten (daher kubisch, kubus=Würfel) sind wieder 8 mal 1/4 Atom. Zusätzlich sind an allen Würfelflächen (daher flächenzentriert) 1 mal 1/2 Atom vorhanden. Die Packungsdichte beträgt hier wie beim HDP Gitter: 74 %.

--- Bild KFZ Packungsdichte ---

Vereinfacht zeichnet man wieder jeden Atommittelpunkt mit einem Punkt und verbindet die Nachbaratome mit gedachten Strichen. Die Stapelfolge können Sie hier sehen: | Stapelfolge kfz.

--- Bild KFZ einfach ---

Gleitsystem / Gleitmöglichkeiten und Verformung

Verformung

Metalle lassen sich gut verformen. Sie können z.B. durch biegen eine andere Form annehmen und sind dann Verformt.

Es wird zwischen zwei Arten von Verformung unterschieden.

• plastische Verformung
• elastische Verformung

Die plastische Verformung ist eine bleibende Verformung, wie beim biegen von Klammern in Form. Die elastische Verformung ist eine nicht bleibende Verformung, dabei geht der verformte Stoff wieder in seine Ursprungsgorm zurück, wie bei Klammern die sich aufbiegen und wieder in ihre Form zurückgehen.

Mit guter Verformbarkeit ist auch gemeint, dass sich der Stoff überhaupt verformen lässt. So brechen viele Stoffe, wenn man versucht sie zu verformen.

Gleitebenen, Gleitrichtungen und Gleitsysteme

Gleitebenen bezieht sich auf die Ebenen innerhalb eines Kristallgitters, auf denen Atome oder Ionen am leichtesten aneinander vorbeigleiten können. Dieses Gleiten ist ein Hauptmechanismus für die plastische Verformung von Materialien, insbesondere von Metallen.

Wenn ein Material einer ausreichend großen mechanischen Belastung ausgesetzt wird, können die Atome oder Ionen in den Gleitebenen aneinander vorbeigleiten. Dieser Vorgang wird als "Versetzungsbewegung" bezeichnet und ist verantwortlich für die dauerhafte Verformung des Materials. Die Versetzungsbewegung ermöglicht es, dass sich das Material verformt, ohne dass es bricht.

Lernvideo Gleitebenen und Versetzung

Wie das in etwa funktioniert können sie hier sehen (12 min):

--- Bild Gleitrichtungen KRZ

Als Gleitebenen bezeichnet man Gitterebenen, auf denen ganze Atomschichten abgleiten können.

Als Gleitrichtung bezeichnet man die Richtung, in der die ganze Gleitebene abgleiten kann.

Die Anzahl der Gleitsysteme beschreibt die Gleitmöglichkeiten einer Gitterstruktur und ist somit ein Maß für deren Verformbarkeit. Die Anzahl der Gleitsysteme ergibt sich aus den Gleitebenen mal den Gleitrichtungen.

Das krz, kfz und hdp Gitter haben eine unterschiedliche Anzahl von Gleitebenen und sind daher auch unterschiedlich gut verformbar.

Das krz Gitter bestitzt 12 Gleitsysteme. Das kfz Gitter bestitzt 12 Gleitsysteme. Das hdp Gitter bestitzt 3 Gleitsysteme.

Jetzt könnte man annehmen, dass krz und kfz gleich gut verformbar sind. Jedoch spielt die Packungsdichte hier noch eine Rolle. Das „Herausheben“ der Atomblöcke aus den „Mulden“ erfordert im kfz-Gitter einen deutlich geringeren Energieaufwand als im krz-Gitter. Abgleitprozesse finden deshalb schon bei geringerem Kraftaufwand statt.

Demnach folgt bezüglich der Verformbarkeit: kfz: sehr gut verformbar krz: mäßig verformbar hdp: gering verformbar

Metalle mit krz, kfz und hdp Gitter

Die Legierung nimmt üblicherweise die Gitterstruktur an, von im Element am meisten vorhanden ist. So neigt Eisen, Aluminium, Kobald, Blei, Kupfer und Nickel dazu, kfz Gitter zu bilden