Gefüge bei Metallen

Das Gefüge beschreibt den innerer Aufbau, auch Gefügestruktur genannt, von Werkstoffen. Unterschieden wird dabei zwischen dem Mikrogefüge und dem Makrogefüge, wobei das erste nur unter einem Mikroskop untersucht werden kann, während das letzte auch mit bloßem Auge zu erkennen ist. Die einzelnen kristallinen Bestandteile werden Körner oder Kristallite genannt. Da diese sehr klein sind, können die Körner nur durch die Verwendung eines Mikroskops und metallurgischer Präparationstechniken sichtbar gemacht werden. Bei Metallen wird der Aufbau, die Größe und die Orientierung der Körner durch die Legierungen der Werkstoffe bestimmt. Auch die Herstellung des Werkstücks wirkt sich auf diese Parameter aus.

Gefügeformen

Bei Metallen unterscheidet man zwischen dem Primärgefüge und den Sekundärgefüge. 

Primärgefüge

Das Primärgefüge entsteht auf natürliche Weise bei der Erstarrung einer Schmelze und wird auch Gussgefüge genannt. Wird der Metallschmelze Wärme entzogen, verringert sich die Energie, der sich darin befindenden und ständig bewegenden Atome. Die kinetische Energie der Atome nimmt so weit ab, bis die Bindungskräfte, wie sie in einem festen kristallinen Verbund auftreten, die Oberhand gewinnen. Treffen solche Atome aufeinander, bleiben sie in einer geordneten und kristallinen Konfiguration zusammen. Daraus entsteht ein sogenannter Kristallkeim. Lagern sich nun weitere Atome an diesem Keim an, wachsen die Kristalle. 

Durch sogenanntes Impfen kann die Keimbildung beschleunigt werden. Dabei werden der Schmelze Stoffe gleicher oder anderer Zusammensetzung hinzugegeben. Hierdurch kann neben der Keimbildung auch die Ausprägung der Korngrenzen unterstützt werden.

Mithilfe von Verfahren aus der Metallografie kann das Primärgefüge sichtbar gemacht werden, um so eine Bestimmung der Korngröße oder Fehleranalyse durchführen zu können.

Sekundärgefüge

Das Sekundärgefüge entsteht aus dem Primärgefüge. Es kann auf natürliche Art entstehen z.B. durch Festkörperreaktionen oder auch auf künstliche Art wie z.B. Schmieden, Walzen, Ziehen usw. Im Vergleich zum Primärgefüge zeichnet sich das Sekundärgefüge durch kleine und feiner Körner aus.

Gefügearten am Beispiel von Eisen-Werkstoffen

Das Gefüge von Eisen-Werkstoffen wird am Kohlenstoffgehalt unterschieden:

 

  • 0 % Kohlenstoff entspricht reinem Eisen und wird Ferrit oder ɑ- Eisen bezeichnet.
  • Eisen-Werkstoffe mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,8 % werden als untereutektoide Stähle bezeichnet. Sie bestehen aus reinen Ferrit-Körnern und aus Ferrit-Körnern, die mit Zementit durchzogen sind. Diese werden als Perlit-Körner bezeichnet.
  • Eutektoider Stahl hat eine Kohlenstoffgehalt von 0,8 %. Er zeigt bei Raumtemperatur ein reines Perlit-Gefüge.
  • Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,8 und 2,06 % wird übereutektoider Stahl genannt. Als weiterer Gefügebestandteil ist der Korngrenzenzementit enthalten. Der Anteil nimmt mit höherem Kohlenstoffgehalt zu.
  • In Abhängigkeit von der Abkühlungsgeschwindigkeit und den Legierungsbestandteilen, können sich in Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt über 2,06 % unterschiedliche Gefügearten ausbilden. Bei einer langsamen Abkühlung bzw. einer Zugabe von Silicium bildet Kohlenstoff eine Graphitphase aus. Man spricht vom stabilen Eisen-Kohlenstoffdiagramm. Kühlt die Schmelze jedoch schnell ab, scheidet Kohlenstoff vorrangig als Zementit aus. Das metastabile Eisen-Kohlenstoffdiagramm zeigt die auftretenden Umwandlungen.
  • Bei einem Kohlenstoffgehalt von 4,3 % erstarrt die Eisenschmelze zu einem Ledeburit-Gefüge.