Das kubische Kristallsystem

Das kubische Kristallsystem ist einer von sieben Kristallstrukturen in der Kristallographie. Die kubische Elementarzelle ist würfelförmig und gilt als die weit verbreitetste und einfachste Form von Mineralien, Kristallen, und natürlich Metallen. Bravais Gitter, benannt nach dem französischen Physiker Auguste Bravais, sind Formen, die ein kubisches Kristallsystem annehmen kann:

  1. Kubisch primitives Gitter
  2. Kubisch raumzentriertes Gitter
  3. Kubisch flächenzentriertes Gitter

Diese drei Varianten haben als Gemeinsamkeit, dass ihre Kantenlängen identisch sind (a=b=c) und jeder Winkel ein rechter Winkel ist (α=β=γ=90°).

Kubisch primitives Gitter

Das kubisch primitive Gitter, auch bekannt unter der Abkürzung SC für “simple cubic”, zeigt an jeder Ecke der würfelförmigen Zelle ein Atom auf. Insgesamt sind es also 8 Atome. Kubisch Primitive Gitter kommen nicht direkt in Metallen vor, können aber in Legierungselementen vorhanden sein. Die einzige Ausnahme bildet das Alpha Polonium (α-Polonium), ein radioaktives Metall, dessen Atome an jeder Ecke des Würfels sitzen. Primitive Gitter können außerdem in Hochdruckmodifikationen von Phosphor und Antimon nachgewiesen werden.

Kubisch raumzentriertes Gitter

Neben den 8 Eckatomen besitzt das kubisch raumzentrierte Gitter ein zusätzliches Atom in der Mitte der Zelle. Das bedeutet, dass das raumzentrierte Gitter 9 Atome anstelle von 8 aufweist. Metalle, die eine solche Struktur aufweisen sind unter anderem Chrom, Molybdän und α-Eisen, auch bekannt als Ferrit. Das raumzentrierte Gitter kann geformt werden, indem ein primitives Gitter in ein anderes fällt. Ein Eckatom fungiert dann als das zusätzliche Atom in der Mitte des anderen Gitters, welches charakteristisch für das raumzentrierte Gitter ist.

Kubisch flächenzentriertes Gitter

Wie der Name schon verrät, befindet sich im kubisch flächenzentrierten Gitter jeweils ein zusätzliches Atom auf jeder Seitenfläche des Würfels. Daraus folgt, dass insgesamt 14 Atome in einer Elementarzelle vorhanden sind (8 Eckatome + 6 Flächenatome). Aluminium, Gold, Nickel, Kupfer, Platin und γ-Eisen, auch bekannt als Austenit, sind die bekanntesten Metalle, die ein kubisch flächenzentriertes Gitter aufweisen. Die Struktur kann ebenfalls mittels primitiver Gitter hervorgerufen werden. Drei SC (simple cube) fügen sich an ein viertes SC, sodass deren Eckatome als Flächenatome im vierten SC fungieren.

Kubische Kristallsysteme von Stahl

Bei Stahl bestehen die drei bekanntesten Kristallstrukturen aus:

  • Kubisch raumzentriertes Ferrit: Das α-Ferrit lässt sich in Kohlenstoff-Eisen Verbindungen finden, also die grundlegende Stahlform. Bei Temperaturen bis zu 912°C zeigen solche Stähle ein kubisch raumzentriertes Gitter auf.
  • Kubisch flächenzentrierter Austenit: Der α-Ferrit wandelt sich bei 912°C in Austenit um. Bekannte Edelstahlsorten wie 1.4404 und 1.4301 gehören zur Gruppe der Austenite.
  • Tetragonal raumzentrierter Martensit: Martensitische Stahlsorten besitzen ein tetragonal verzerrtes Gitter. Diese wird durch den schnellen Abschreckungsprozess in einem Umklappvorgang aus Austenit gebildet. Dadurch können Kohlenstoffatome nicht diffundieren, wodurch das Material härter, aber auch spröder wird. Allerdings handelt es sich hier streng genommen nicht um eine kubische Kristallstruktur, da eine Kantenlänge länger ist (a=b=/=c ). Die Elementarzelle ist also eher wie eine Art Quader, statt Würfel, aufgebaut. Man spricht hier von einem tetragonal verzerrten kubischen Gitter.