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Korngrenze

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Grenz- bzw. Übergangsbereich zwischen den einzelnen Körnern im Strukturgefüge eines Metalls oder einer Legierung, wobei die Oberfläche des Korns und die „Dicke” der Korngrenze das Korngrenzenvolumen bilden. Die Korngrenze entspricht einem klassischen Gitterfehler im Kristallgefüge.

Die Korngrenzen entstehen bei der Kristallisation, die in der Schmelze bei der Erstarrung infolge Abkühlung an vielen Stellen gleichzeitig startet und so zur Ausbildung vieler Einheiten (Körner) führt, die jeweils an der Korngrenze zum nächsten Korn enden.

In der Korngrenze finden sich u. a. die bei der Kristallisation nicht einordenbaren (nicht löslichen) Schmelzenverunreinigungen (Verunreinigungen), die bei der Kristallisationsfortschreitung in die Korngrenze geschoben und dort abgeladen werden, z. B. überschüssiger, im Metallgitter nicht löslicher Kohlenstoff.

Abb. K 8: Unerwünschte Aufkohlung der Oberfläche von 1.4404. Oberfläche mit Carbidausscheidungen entlang der Korngrenzen nach Elektropolitur von ca. 20 µm. (Quelle: Dr. J. Rau, TAE-Seminar, Esslingen, 2002)

Insofern ist die Korngrenze, die wesentlich weniger dicht gepackt ist als die Körner selbst, ein Bereich, der Zuwanderungen aus dem Korn (z. B. durch Diffusion von Cr bei erhöhten Temperaturen) erlaubt und auch entsprechende Chromcarbidbildungen in der Korngrenze bei gleichzeitiger Cr-Verarmung im korngrenzennahen Korn zulässt. Der Vorgang der Chromcarbidbildung ist meist auch mit einer entsprechenden Volumenvergößerung (Ausdehnung) des Korngrenzenbereichs verbunden, welche auf Kosten der benachbarten Körner erfolgt.

Die Größe des Korngrenzenvolumens – bei kubisch-flächenzentrierten Gefügen merklich größer als bei kubisch-raumzentrierten – ergibt sich aus Oberfläche des Korns und vor allem aus der Dicke der Korngrenze, welche mit ca. 2–5 Atomabständen abgeschätzt werden kann.

Grundsätzlich ist die Korngrenze als deutlich weniger geordneter Bereich im Kristallgefüge die Verbindung der benachbarten Körner zueinander, welche i. Allg. verschiedene Hauptebenenrichtungen der Kristallisation aufweisen. Gleichzeitig wirkt die Korngrenze als maximal möglicher Gitterfehler als eine Barriere etwa für einen Versetzungsstau bei plastischer Verformung (Materialfließen), ermöglicht aber andererseits durch Korngrenzengleitung letztlich die plastische Verformung in weiten Bereichen.

Abb. K 9: Mikrostruktur der Schweißnaht nach Wärmebehandlung. Metallographischer Schliff (ca. 500 x) einer Längsschweißnaht nach Wärmebehandlung in Wasserstoffatmosphäre (Taupunkt - 40 °C) bei 1.040 °C, Rohr 63,5 x 1,65 mm, Werkstoff 1.4404, elektropoliert (E00758). (Quelle: Dr. J. Rau, TAE-Seminar, Esslingen, 2002)

Hinsichtlich der plastischen Verformung von polykristallinen Werkstoffen, wie z. B. austenitischen Edelstahllegierungen, ist die Korngrenze für quasi isotropisches Verhalten unter mechanischer Spannung verantwortlich, indem sie den Dehnungsausgleich ermöglicht. Neben den Gitterfehlern niedrigerer Ordnung ermöglicht sie grundsätzlich die Beweglichkeit für kaltplastische Verformungen unter mechanischer Spannung, da die Korngrenzen wesentlich weniger exakt gepackt sind als die Körner. Diese Beweglichkeit wird wiederum durch in der Korngrenze eventuell eingelagerte Verunreinigungen — z. B. Kohlenstoff, chromcarbidische Strukturen, Wasserstoffmoleküle vom chemischen Beizen bei ferritischen Werkstoffen etc. — behindert und kann zum Verspröden führen.

Die Korngrenze entspricht einer Korn- bzw. Kristallgrenzfläche und ist gekennzeichnet durch den Orientierungs- und den Lagenunterschied der benachbarten Körner und insofern auch von besonderer Bedeutung bei der Bildung kohärenter und inkohärenter Zwillingsbildung bei Austeniten.

Ein weiterer zu beachtender Vorgang ist die sogenannte Korngrenzendiffusion, aufgrund derer v. a. kleinatomige Elemente über die Korngrenze als Pfad in den Strukturverband einwandern und sich gegebenenfalls in der Korngrenze anlagern. Hier ist speziell die Wasserstoffversprödung von ferritischen Werkstoffen als Folge der Korngrenzendiffusion zu nennen. Ein anderes Beispiel für typische Korngrenzendiffusion ist die Einwanderung von Kohlenstoffatomen von der Bauteiloberfläche während einer Wärmebehandlung des Bauteils mit nachfolgender Chromcarbidbildung im Korngrenzenbereich.

Die Korngrenzenenergie als Oberflächenenergie in Abhängigkeit von der geometrischen Orientierungsdifferenz der benachbarten Körner beeinflusst vor allem die Korngrenzenwanderung und damit auch die Kornvergrößerung beim Glühen mit entsprechend langen Glühzeiten.

© 2013 – ECV – Lexikon der Pharmatechnologie

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