1998 LS 8.1 Gittertypen schwer
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-Gitter)
- hexagonal dichtgepackteste Gitter (hdp-Gitter)
- kubisch flächenzentrierte Gitter (kfz-Gitter)
Das kubisch raumzentrierte Gitter (krz-Gitter)
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 krz-Gitter besteht also aus 1 + 8 mal 1/8 Atomen, demnach 2 Atome. Damit füllen die Atome ein Volumen von 68 %, dies nennt man auch Packungsdichte (Verhältnis Atome/Volumen des Gittertyps).
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
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 %.
Die vereinfachte Zeichnung kann der Übersicht entnommen werden. Die Stapelfolge können Sie hier sehen: Stapelfolge kfz-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. Das hdp Gitter ist dichtgepackt aufgebaut wie das kfz Gitter, jedoch mit einer Stapelfolge, welche die Versetzung der Atome erschwert.
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.
Gleitebenen, Gleitrichtungen, Gleitsysteme und Versetzungen
Gleitebenen und Versetzung
Gleitebenen bezieht sich auf die Ebenen innerhalb eines Kristallgitters, auf denen Atome 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 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):
Gleitebenen, Gleitrichtung und Anzahl der Gleitsysteme
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.
Beispiel anhand eines krz-Gitters:
Das krz, kfz haben 12 Gleitsysteme und das hdp-Gitter nur 3. 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 Lücken erfordert im kfz-Gitter einen deutlich geringeren Energieaufwand als im krz-Gitter (Vergleiche Stapelfolge bei kfz und bei hdp-Gitter). Abgleitprozesse finden deshalb schon bei geringerem Kraftaufwand statt.
| kfz-Gitter | krz-Gitter | hdp-Gitter | |
|---|---|---|---|
| Anzahl Gleitsysteme | 12 | 12 | 3 |
| Packungsdichte | 74 % | 68 % | 74 % |
| Verformbarkeit | sehr gut | mäßig | gering |