Wenn das Gitter nicht perfekt ist: Die faszinierende Welt der Gitterfehler in metallischen Strukturen

Gitterfehler, auch als Gitterdefekte oder Kristall(bau)fehler bekannt, sind Unregelmäßigkeiten in einem ansonsten periodischen Kristallgitter[5]. Sie sind von grundlegender Bedeutung für viele Eigenschaften eines Kristalls, insbesondere für die chemische Reaktivität, Stofftransport und Diffusion im Kristall sowie für seine mechanischen Eigenschaften[5]. Gitterfehler sind nicht als “Fehler” zu verstehen, sondern als Instrumente für den Werkstoffwissenschaftler, um die Eigenschaften eines metallischen Werkstoffs zu manipulieren[3][6].

Nulldimensionale Gitterfehler

Nulldimensionale Gitterfehler, auch Punktdefekte genannt, sind Defekte, die die Ausdehnung eines einzelnen Atoms haben. Es lassen sich drei Fälle unterscheiden[5]:

1. Leerstellen:
   Dies sind freie Gitterplätze, die im regulären Gitter besetzt sein sollten. Die Gitterstruktur des Metalls verformt sich um die jeweilige Fehlstelle herum. Diese Art von Gitterfehler nimmt bei Verformung und Temperaturerhöhung des Metalls zu[1].
2. Zwischengitteratome:
   Hierbei handelt es sich um ein zusätzliches Atom, das im Gitter eingelagert ist. Das Atomgitter des jeweiligen Metalls wird rund um das Zwischengitteratom aufgeweitet[1].
3. Fremdatome:
   Dieser Gitterfehler zeichnet sich dadurch aus, dass ein fremdes Atom im Grundgitter vorhanden ist. Das Fremdatom kann dabei entweder ein reguläres Atom ersetzen oder sich zwischen den regulären Atomen befinden[1].

Eindimensionale Gitterfehler

Eindimensionale Gitterfehler, auch als Versetzungen bekannt, sind Linienfehler, die sich durch das Kristallgitter ziehen. Es gibt zwei Haupttypen von Versetzungen: Stufenversetzungen und Schraubenversetzungen[2].

Zweidimensionale Gitterfehler

Zweidimensionale Gitterfehler, auch als Flächenfehler bekannt, umfassen Korngrenzen und Stapelfehler[10].

1. Korngrenzen
   Diese entstehen, wenn zwei Bereiche (Atomgitter) eine unterschiedliche Gitterorientierung besitzen. Man unterscheidet zwischen Groß- und Kleinwinkelkorngrenzen[1][7].
2. Stapelfehler
   Diese treten auf, wenn eine Schicht von Atomen in einer eng gepackten Kristallstruktur aus der Sequenz heraus verschoben wird[7].

Dreidimensionale Gitterfehler

Dreidimensionale Gitterfehler sind Volumenfehler, die mehrere Atome betreffen und sich über das gesamte Volumen des Kristalls erstrecken können. Beispiele hierfür sind Poren, Einschlüsse oder Risse.

Die Existenz von Gitterfehlern ist entscheidend für die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Metallen. Sie beeinflussen die Festigkeit, Verformbarkeit, elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die Korrosionsbeständigkeit von Metallen[3][6]. Durch gezielte Manipulation der Gitterfehler können Werkstoffwissenschaftler die Eigenschaften von Metallen für spezifische Anwendungen optimieren.

 

Quellen