1998 LS 8.1 Gitterypen einfache sprache
Gittertypen
Bei Festkörpern (z.B. Brücken, Kronen) spricht man bei einer regelmäßige, dreidimensionale Anordnung von Atomen von einem Gitter bzw. Kristallgitter. Die sich wiederholende Struktur dieses Gitters wird als Elementarzelle bezeichnet. Ein Gitter besteht also aus vielen Elementarzellen.
Eine Elementarzelle ist eine sich wiederholende Struktur eines dreidimensionalen Anordnung von Atomen.
Beispiel:
Es gibt mehrere Möglichkeiten wie sich diese Atome in einem Gitter anordnen können.
Je nach verwendeten Werkstoffen kommen bei Metallen drei typische Anordnungen vor, diese nennt man Gittertypen:
- kubisch raumzentrierte Gitter (krz-Gitter)
- kubisch flächenzentrierte Gitter (kfz-Gitter)
- hexagonal dichtgepackteste Gitter (hdp-Gitter)
Das kubisch raumzentrierte Gitter (krz-Gitter)
Bei dem kubisch raumzentrierte Gitter (krz-Gitter) gibt es 1 Atom, welches in der Mitte sitzt (daher raumzentriert, im Raum zentriert) und 8 Atommittelpunkte, die wie an den Kanten eines Würfels angeordnet sind (daher kubisch, von Kubus=Würfel). Sehen Sie sich nochmal zum Vergleich das Bild an.
Mit echten Durchmessern der Atome sieht das krz-Gitter so aus:
Dabei füllen die Atomvolumen nicht das ganze Gitter aus. Es gibt noch Lücken. Das Verhältnis von Atomvolumen zu möglichen Volumen wird als Packungsdichte bezeichnet. Die Lücken die sich in der Packungsdichte ergeben werden später noch wichtig.
Die Packungsdichte ist das Verhältnis Volumen der Atome/Mögliche 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 der Gitter, nennt sich Stapelfolge. Klicken Sie hier für ein kurzes Video der Stapelfolge eines krz-Gitters.
Das kubisch-flächenzentrierte Gitter (kfz-Gitter)
Das kubisch-flächenzentrierte Gitter (kfz-Gitter) ist auch kubisch (wie ein Würfel) aufgebaut. Die Packungsdichte beträgt hier: 74 %.
Die vereinfachte Zeichnung kann der Übersicht entnommen werden. Die Stapelfolge können Sie hier sehen: Stapelfolge kfz-Gitter.
Hexagonal dichtgepackteste Gitter (hdp-Gitter)
Das hexagonal dichtgepackteste Gitter (hdp-Gitter) 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).
Die Packungsdichte beträgt bei einem hdp-Gitter 74 %. Auf eine Zeichnung mit echten Atomdurchmessern wird hier verzichtet.
Die Stapelfolge können Sie hier sehen: Stapelfolge hdp.
Verformung
Die Verformbarkeit von Metallen bezieht sich auf ihre Fähigkeit, ihre Form unter dem Einfluss von mechanischen Kräften (z.B. biegen) zu ändern, ohne zu brechen.
Es wird zwischen zwei Arten von Verformung unterschieden.
- plastische Verformung
- elastische Verformung
Die plastische Verformung ist eine bleibende Verformung, wie beim biegen von Klammern bei einer partiellen Prothese. Der Klammerdraht wurde durch mechanische Kräfte verformt.
Die elastische Verformung ist eine nicht bleibende Verformung, dabei geht der verformte Körper wieder in seine Ursprungsform zurück, wie beim leichten biegen einer Klammer. Dabei geht die Klammer wieder in seine Form zurück.
Die Möglichkeit der Verformung ist für Zahntechniker*innen immer dann von Bedeutung, wenn wir die Form eines Körpers mit mechanischen Kräften ändern wollen/müssen, ohne das es bricht. Bedenken Sie dabei, dass auch kleinste Kräfte zu einer elastischen Verformung führen. Dabei sollten Metalle auch nicht brechen.
Um die Verformung von Metallen zu verstehen müssen Sie die Gleitsysteme und Versetzungen verstehen.
Gleitebenen, Gleitrichtung und Anzahl der Gleitsysteme
Als Gleitebenen bezeichnet man Gitterebenen, auf denen ganze Atomschichten abgleiten können. Siehe dir dazu das unter diesem Absatz an.
Beispiel anhand eines krz-Gitters:
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.
Vergleich der Verformbarkeit der metallischen Gittertypen
Das hdp-Gitter hat wenig Gleitebenen und ist deshalb schlecht Verformbar. Das kfz-Gitter und das krz-Gitter haben gleich viele Gleitebenen. Das kfz-Gitter hat allerdings eine höhere Packungsdichte. Durch die höhere Packungsdichte sind die Atome des Gitters nicht so tief in den Lücken des nächsten Gitters. Daher sind kfz-Gitter leichter zu verformen als krz-Gitter.
| kfz-Gitter | krz-Gitter | hdp-Gitter | |
|---|---|---|---|
| Anzahl Gleitsysteme | 12 | 12 | 3 |
| Packungsdichte | 74 % | 68 % | 74 % |
| Verformbarkeit | sehr gut | mäßig | gering |
Typische krz-Gitter sind aus dem Element: Cr, Mo, V, Alpha-W, Alpha-Fe.
Typische kfz-Gitter sind aus dem Element: Cu, Ag, Au, Al, Gamma-Fe, Beta-Ni.
Typische hdp-Gitter sind aus dem Element: Mg, Zn, Cd, Alpha-Co, Alpha-Ti.
(Alpha, Beta, Gamma sind jeweils Phasen, die bei bestimmten Temperaturbereichen beim Schmelzen von Metallen auftreten. Später mehr dazu)