Was sind eigentlich Korngrenzen? Jeder hat sicherlich schon einmal ein verzinktes Treppengelnder oder einen verzinkten Laternenmast gesehen. Was kann man dabei beobachten? Verzinkte Stahloberflchen zeichnen sich durch besondere, flchige Strukturen aus, die je nach Lichteinfall und Beobachtungswinkel hell oder dunkel mit eher unregelmigen Rndern erscheinen. Diese Flchen, in denen kein weiterer Kontrast, Helligkeits- oder Farbunterschied zu erkennen ist, nennt der Werkstofftechniker Korn. Die Flchen haben natrlich im Werkstoff auch eine rumliche Ausdehnung, somit sind Krner selbst rumliche Gebilde mit einem bestimmten Volumen, die beim Blick auf die Werkstoffoberflche dann als Flche erscheinen. Krner gibt es fast in jedem metallischen Werkstoff, meist sieht man sie jedoch nicht. Sie knnen durch spezielle Oberflchenbehandlungen wie zum Beispiel Antzen mit Suren im Mikroskop oder sogar mit dem bloen Auge (wie im Fall des verzinkten Stahls) sichtbar gemacht werden. Halten wir fest: Krner in einem Metall sind rumliche Gebilde, die bei Betrachtung mit Licht zunchst homogen erscheinen. Die Begrenzungsflchen der Krner, also die Flche zwischen zwei Krnern, heien Korngrenzen. An der Oberflche unserer verzinkten Laterne erscheinen die Korngrenzen dann als Begrenzungslinien zwischen den flchigen Krnern. Die meisten metallischen Werkstoffe enthalten Korngrenzen. Um zu verstehen was Korngrenzen sind, wenden wir uns der Frage zu: wo kommen die Krner eigentlich her? Ausgangspunkt ist die Erstarrung von Metallen, also die Bildung eines Festkrpers aus der Metallschmelze. Dazu betrachten wir die einzelnen Metallatome in der Schmelze. Wie in Flssigkeiten knnen sich diese Atome relativ frei bewegen, je hher die Temperatur desto grer die Beweglichkeit der Atome. Nun khlen wir die Schmelze ab, die Bewegung der Atome nimmt ebenfalls ab, die Atome rcken nher zusammen. Bei Erreichen der Erstarrungstemperatur kommen sich einzelne Atome bereits so nahe, dass die chemischen Bindungskrfte wirken knnen, um einen festen Zusammenhalt zwischen den Atomen einzustellen. Die Atome ordnen sich in einem Kristallgitter auf fest vorgegebenen Pltzen an. Dabei ist das entstehende Kristallgitter fr jedes Metall charakteristisch. Die kleinste Baueinheit eines solchen Kristallgitters heit Elementarzelle und kann beliebig im Raum angeordnet, man sagt auch orientiert, sein. In der abkhlenden Schmelze bilden sich am Erstarrungspunkt an verschiedenen Stellen in der Schmelze Ansammlungen von Elementarzellen, sogenannte feste Keime. Diese Keime haben die rumliche Orientierung der Elementarzellen aus denen sie aufgebaut sind, d.h. ein Keim besteht aus mehreren Elementarzellen mit exakt gleicher Orientierung. Dadurch, dass sich die Keime an unterschiedlichen Stellen in der Schmelze bilden, wird auch ihre Orientierung sehr wahrscheinlich unterschiedlich sein. Im Laufe der weiteren Erstarrung lagern sich immer mehr Atome aus der Schmelze an den Keimen an, dabei mssen sich die hinzukommenden Atome an die rumliche Orientierung der Keime halten. Am Ende der Erstarrung haben alle Atome aus der Schmelze einen Platz im Festkrper gefunden. Die Keime sind so gro geworden, dass sie das gesamte Volumen ausfllen. Dort, wo Keime mit unterschiedlicher Orientierung zusammenstoen, bildet sich eine Korngrenze die Keime sind dann die bereits erwhnten Krner. Somit entstehen Korngrenzen eigentlich immer bei
der Erstarrung metallischer Werkstoffe. Sie trennen stets Bereiche im Kristall mit unterschiedlicher Orientierung. Warum interessieren uns Korngrenzen berhaupt? Zunchst einmal gehren Korngrenzen zu den Gitterfehlern, die in einem metallischen Werkstoff fast immer anzutreffen sind. Die meisten technologisch wichtigen Eigenschaften eines metallischen Werkstoffs sind durch das Vorhandensein von Gitterfehlern begrndet. Korngrenzen haben nun groen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften: Je mehr Korngrenzen vorhanden sind, desto mehr Krner gibt es im Metall, die Gre der einzelnen Krner ist in diesem Fall gering. In der Regel findet man in solchen feinkrnigen Werkstoffen auch eher regelmig geformte Krner. Der Werkstoff zeichnet sich durch gute Festigkeit in Kombination mit guter Zhigkeit aus, zwei Eigenschaften, die fr gewhnlich eher gegenlufig wirken. Man ist daher hufig bestrebt, Werkstoffe mit kleinen Krnern, also mit vielen Korngrenzen, herzustellen. Wie kann man das schaffen? Wir haben festgestellt, dass Krner und Korngrenzen whrend der Erstarrung entstehen. Man muss nun viele Keime gleichzeitig in der Schmelze erzeugen und wachsen lassen, dann erhlt man am Ende der Erstarrung auch viele Krner. Das kann man z.B. erreichen, indem man die Schmelze impft, also gezielt Keimstellen, sogenannte Keimbildner, einbringt, an denen Keime entstehen knnen. Aber Korngrenzen beeinflussen die Eigenschaften des Werkstoffs nicht blo durch ihre Anwesenheit. Eine herausragende Eigenschaft von Korngrenzen ist ihre Fhigkeit, sich unter bestimmten Bedingungen zu bewegen. Was heit nun unter bestimmten Bedingungen? Zur Bewegung von Korngrenzen braucht man im Wesentlichen zwei Dinge: ausreichend hohe Temperaturen (je hher die Temperatur, desto grer die Beweglichkeit der Korngrenzen) sowie eine treibende Kraft, die die Korngrenzenbewegung aktiviert. Das kann zum Beispiel ein Ungleichgewicht im Werkstoff, hervorgerufen durch eine Verformung, sein. Oder aber die Tendenz gekrmmter Korngrenzen, sich zu begradigen. Wenn sich Korngrenzen bewegen, verndern sie damit die Struktur des Werkstoffs und auch dessen Eigenschaften. Aus diesem Grund ist man daran interessiert herauszufinden, wie sich Korngrenzen bewegen und wie man diese Bewegung nutzen kann, um bestimmte Werkstoffeigenschaften zu erhalten. So bestimmt die Bewegung von Korngrenzen ganz mageblich das Ergebnis von vielen Wrmebehandlungsverfahren beispielsweise das Normalisieren, die Rekristallisation und das Grobkornglhen.
Autor: Myrjam Winning / Werkstoff Service GmbH, Essen Stichworte: Korngrenzen, krner, krnung, stahl, stahloberflche, werkstoff, metall, oberflchenbehandlung, metallschmelze, metallatome, kristallgitter, elementarzelle, gitterfehler, werkstoffe, Dieser Artikel kann auf www.werkstoff-blog.de diskutiert und kommentiert werden. Zitieren nur nach Rcksprache und schriftlicher Erlaubnis