Kristallstrukturtypen: FCC, BCC, und HCP erklärt

Einführung

Die Kristallstruktur bestimmt, wie sich die Atome in Metallen und anderen festen Materialien anordnen. Die Anordnung beeinflusst die Festigkeit, Duktilität und viele andere wichtige Eigenschaften.

Kristallstruktur-Diagramm

Im Folgenden finden Sie eine einfache Übersicht über die drei wichtigsten Kristallstrukturen:
- Kubisch flächenzentriert - Die Atome sind an jeder Würfelecke und in der Mitte jeder Fläche angeordnet. Diese Struktur ergibt einen hohen Packungsfaktor.
- Kubisch Körperzentriert - Die Atome befinden sich an den acht Ecken und eines in der Mitte des Würfels. Diese Struktur hat einen geringeren Packungsfaktor als die kubisch flächenzentrierte Struktur.
- Hexagonal Close Packed - Atome bilden Schichten in Form eines Sechsecks. Eine mittlere Schicht befindet sich zwischen zwei ähnlichen Schichten. Diese Anordnung ist sehr kompakt und stark.

Jede Struktur bringt ihre eigenen Vorteile mit sich. Ihre Unterschiede sind wichtig für die Festigkeit, Duktilität und Leitfähigkeit des Materials. Im täglichen Gebrauch kann eine kleine Änderung in der atomaren Anordnung die Leistung eines Metalls in realen Anwendungen verändern.

FCC, BCC und HCP

Flächenzentrierte kubische Strukturen sind in Metallen wie Kupfer, Aluminium und Gold üblich. Ihre Atome berühren sich entlang der Flächendiagonalen. Dies verleiht ihnen eine ausgezeichnete Duktilität und eine leichte Verformung unter Belastung. Metalle mit dieser Anordnung weisen häufig eine gute Beständigkeit gegen Ermüdung und Verschleiß auf.

Körperzentrierte kubische Strukturen treten in Metallen wie Eisen (bei Raumtemperatur), Chrom und Wolfram auf. In diesen Strukturen sind die Atome weniger dicht gepackt angeordnet. Die Atome berühren sich entlang der Mittellinien des Würfels. Infolgedessen haben diese Werkstoffe oft eine hohe Festigkeit, aber eine geringere Duktilität als die kubisch flächenzentrierten Werkstoffe. Sie können unter kalten Bedingungen spröder sein.

Hexagonal dicht gepackte Strukturen finden sich in Metallen wie Magnesium, Titan und Zink. Hier ordnen sich die Atome in einer sechseckigen Schicht an und wiederholen sich dann in einer dicht gepackten Form. Diese Anordnungen verleihen Metallen eine hohe Festigkeit. Ihre Gleitsysteme können geringer sein. Dies könnte sich darauf auswirken, wie sich das Metall unter Belastung verformt.

Jede Kristallstruktur hat ihre eigene Koordinationszahl und ihren eigenen Packungsfaktor. Bei kubisch flächenzentrierten Kristallen beträgt die typische Koordinationszahl 12 mit einem Packungsfaktor von etwa 0,74. Bei kubisch-raumzentrierten Kristallen liegt die Koordinationszahl bei 8 und der Packungsfaktor bei 0,68. Hexagonal dicht gepackt hat eine Koordinationszahl von 12 und einen ähnlichen Packungsfaktor wie kubisch flächenzentriert. Diese Zahlen helfen uns, die Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften und im mechanischen Verhalten zu verstehen.

Viele praktische Fälle zeigen jede dieser Anordnungen in Aktion. Im Automobilbau beispielsweise wird für Aluminiumteile in der Regel die kubisch-flächenzentrierte Anordnung verwendet, da sie Stöße absorbieren kann. Im Baugewerbe und im Schwermaschinenbau werden kubisch-raumzentrierte Metalle für Teile gewählt, die eine hohe Festigkeit erfordern. In der Luft- und Raumfahrt wird Titan mit seiner sechseckigen, dicht gepackten Struktur in Bereichen verwendet, in denen ein leichtes und dennoch starkes Metall benötigt wird.

Gittertypen Materialien

Werkstoffe mit verschiedenen Gittertypen weisen im täglichen Gebrauch unterschiedliche Eigenschaften auf. Kupfer, ein kubisch flächenzentriertes Metall, ist weich genug, um sich zu biegen, aber stark genug für Leitungen und Wärmeaustauschsysteme. Körperzentriertes kubisches Eisen wird im Bauwesen verwendet, weil es sich auch unter schweren Lasten nicht verformt. Magnesium mit seiner sechseckigen, dicht gepackten Struktur wird wegen seines geringen Gewichts und des besseren Verhältnisses zwischen Festigkeit und Gewicht in der Luftfahrtindustrie verwendet.

Bei der Auswahl eines Materials für eine bestimmte Aufgabe sollte man auch auf die Gitterstruktur achten. Die flächenzentrierte kubische Struktur hilft bei der Herstellung von Bauteilen, die wiederholt gebogen werden müssen, ohne zu brechen. Die kubisch-körperzentrierte Struktur wird bevorzugt, wenn Teile eine hohe Festigkeit bei Stoßbelastungen benötigen. Die sechseckige, dicht gepackte Struktur wird gewählt, wenn ein leichtes, aber hartes Material benötigt wird.

Ingenieure und Wissenschaftler nutzen diese Beobachtungen, um die Materialeigenschaften anzupassen. Sie steuern die Kristallstruktur durch Legieren und Wärmebehandlungen, um die gewünschten Ergebnisse in Bezug auf Festigkeit, Zähigkeit oder elektrische Leitfähigkeit zu erzielen. Diese praktische Anwendung der Materialwissenschaft hat die Konstruktion von Brücken, Gebäuden, Motoren und sogar von alltäglichen Küchengeräten beeinflusst.

Schlussfolgerung

Das Verständnis der Unterschiede zwischen kubisch-flächenzentrierten, kubisch-körperzentrierten und hexagonal dicht gepackten Anordnungen hilft bei der Auswahl des richtigen Materials für eine bestimmte Aufgabe. Die Anordnung der Atome ist nicht nur akademisches Gerede. Sie ist entscheidend dafür, wie sich Metalle biegen, dehnen oder Kräften widerstehen. Ich hoffe, dieser einfache und freundliche Leitfaden hat Ihnen einen klaren Überblick über diese wichtigen Gittertypen gegeben. Denken Sie daran, dass selbst eine kleine Änderung der Atomanordnung zu großen Veränderungen in der Leistung von Metallen führen kann. Dieser kurze Überblick sollte Ihnen als nützlicher Bezugspunkt dienen, egal ob Sie Materialien studieren oder in der Praxis mit ihnen arbeiten.

Häufig gestellte Fragen

F: Was ist der Hauptvorteil einer kubisch flächenzentrierten Struktur?
F: Sie bietet eine hohe Duktilität und eine leichte Verformung unter Belastung.

F: Warum hat eine kubisch-raumzentrierte Struktur eine geringere Duktilität?
F: Die Atome sind weniger dicht gepackt, was zu einer geringeren Flexibilität bei Stößen führt.

F: Für welche Anwendungen werden hexagonal dicht gepackte Metalle verwendet?
F: Sie werden häufig in der Luft- und Raumfahrt und bei leichten, hochfesten Anwendungen eingesetzt.

Referenz:

[1] Kumar Saxena, Sachin & Gaur, Vidit. (2022). Advances in Fatigue Prediction Techniques. 10.5772/intechopen.99361.