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Edelstahlkristall

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Austenitische Edelstahllegierungen bilden in der Schmelze bzw. im Schmelzbad aus thermodynamischer Sicht eine ideale Mischung der Elemente und haben die typische metallische Eigenschaft (Metalle), bei der Abkühlung aus der Schmelze ein geregeltes Gitterordnungssystem (Kristallgitter) einzugehen und typische Gamma-Kristalle (Mischkristall, Austenit, kubisch-flächenzentriert (kfz)) im Rahmen der Kristallisationsordnung zu bilden. Die γ-Mischkristallbildung bedeutet, dass die Kristalle als Einheits- oder Elementarzellen die verschiedenen Atome der Legierungselemente enthalten, was ein wesentliches Indiz dafür ist, dass die gute thermodynamische Mischbarkeit der Elemente auch im festen Zustand der Legierung vorliegt.

Hier kennt man v. a. die kubische Kristallform als Elementarzelle mit Metallatomen an den 8 Eckpunkten des Kristallwürfels, wobei die Kantenlänge als Atomabstand bzw. Atomdurchmesser bei ca. 3-4 Å liegt (1 Å = 10-10 m).

Bei den kubischen Kristallen unterscheidet man kubisch-flächenzentrierte (kfz, bei Austenit) und kubisch-raumzentrierte (krz, bei Ferrit) Kristalle, wobei krz Kristalle neben den 8 Eckatomen auch in der Raumdiagonale des Kubus noch ein 9. Atom aufweisen, während kfz Kristalle neben den 8 Eckatomen auch auf den Schnittpunkten der 6 Flächendiagonalen noch je ein Atom aufweisen.

Die kfz Packung ist damit mit 14 Atomen deutlich dichter als die krz Packung mit 9 Atomen.

Bei richtiger Vielfachzählung, unter Betrachtung der gleichzeitigen Nutzung von Metallatomen für die jeweils direkt benachbarte Elementarzelle ergibt sich als wahre Atompackungsdichte:

krz: 8 x 1/8 + 1 x 1/1 = 2 Atome,

kfz: 8 x 1/8 + 6 x 1/2 = 4 Atome.

Das kfz Gitter ist also doppelt so dicht gepackt wie das krz Gitter.

Die Koordinationszahl, d. h. die Zahl der nächsten Nachbarn, beträgt bei kfz 12, bei krz 8. Erweiterte Kristallgittereinteilungen erfolgen nach den Millerschen Indizes.

Im praktischen Bereich der rost- und säurebeständigen Edelstahllegierungen kennt man neben kfz Formen (reine Austenite) und krz Formen (reine Ferrite) auch gezielte Mischformen, z. B. Duplex-Stähle [Duplexmaterial]). Weniger erwünschte (lokale) Mischformen sind beispielsweise diffusionsverursachte (Diffusion) Deltaferritbildungen (Deltaferrit) in Schweißnähten, die beim Abkühlen der Nähte aus dem schmelzflüssigen Zustand entstehen.

Chromcarbidbildungen sind keine Kristallformenbildungen, sondern typische intermetallische Verbindungen bzw. chemische Verbindungen vom stöchiometrischen Typ MexCy (Stöchiometrie), wobei Me (= Metall) aus einem oder mehreren verschiedenen Metallen bestehen kann (Sigma-Phase).

Neben kubischen Kristallisationsformen gibt es in Metallen und teilweise auch in Edelstahllegierungen noch weitere Ordnungsstrukturen wie hexagonale, tetragonale (wie z. B. Martensitgefügestrukturen als verzerrte krz Strukturen), monokline, orthorhombische etc.

Die verschiedenen Kristallformen können dabei in einzelnen Werkstoffen bei verschiedenen Temperaturzuständen bzw. bei verschiedenen kaltplastischen Verformungszuständen auftreten. Beispielweise ist hier Titan als technischer Werkstoff zu nennen, der bei der kaltplastischen Umformung (z. B. Ziehen) je nach Umformgrad von einer krz Ordnungsstruktur der Atome auf hexagonale Ordnungsstruktur wechselt („umklappt”) und bei Glühung über 882 °C vom hexagonalen Zustand wieder in den krz Zustand zurückgeführt werden kann.

© 2013 – ECV – Lexikon der Pharmatechnologie

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