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Werkstofftechnik 1 - Kornwachstum

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Werkstofftechnik 1

Kornwachstum

Das Kornwachstum stellt die letzte Stufe im Rahmen der Rückbildung der Festkörperstruktur dar. Es findet immer nach Abschluss der Kristallerholung und der Rekristallisation statt. Der Impulsgeber für das Kornwachstum ist die in den Versetzungen verbliebene innere Energie, die zu einer Korngrenzenbewegung ohne Keimbildung führt. Bei benachbarten Kristalliten mit unterschiedlichen Versetzungsdichten wird somit auf die Korngrenzen eine Kraft ausgeübt, welche diese hin zu einer höheren Versetzungsdichte bewegt.

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Kurz gesagt, die Gesamtfläche der Korngrenzen soll letztlich reduziert werden.
Kornwachstum
Kornwachstum

Dabei kann sich die Korngrenze unter ausreichender Wärmezufuhr in einen versetzungsreicheren Kristall hineinbewegen. Die Voraussetzung dafür ist, dass der Abbau der inneren Energie infolge einer Reduzierung der Versetzungsdichte den Anstieg der Grenzflächenenergie infolge der Ausdehnung der Korngrenze übersteigt. Man bezeichnet diesen Vorgang auch als spannungsinduziertes Kornwachstum

Fälle in denen ein spannungsinduziertes Kornwachstum auftritt sind:

  • während des Hochtemperaturglühens nach geringer Verformung
  • während des Hochtemperaturglühens nach ungleichmäßiger Beanspruchung

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Sind die Bedingungen für das Kornwachstum ideal gewählt, kann das Kornwachstum soweit fortschreiten, dass letztlich ein Einkristall hergestellt wird. 

Setzt man nach Abschluss der Rekristallisation [=primäre Rekristallisation] die Wärmezufuhr fort, so ist es möglich die Korngrenzendichte durch weiteres Kornwachstum zu reduzieren. Jedoch ist ein solches Gefüge grobkörnig und für mechanische Beanspruchungen ungeeignet. 

Die Grenzflächenspannung findet sich an den Korngrenzen, da dort die innere Energie, die des Korninneren übersteigt. Die treibende Kraft, die auf gewölbte Fläche in Richtung des Krümmungsmittelpunktes wirkt, lässt sich als Druck auf eine gekrümmte Fläche berechnen: 

Methode

Hier klicken zum Ausklappen $\ p = \frac{ 2\cdot \gamma_K}{R} $

$\gamma_K = $ Korngrenzenenergie

$\ R = $ Krümmungsradius der Korngrenze

Kontinuierliches Kornwachstum und diskontinuierliches Kornwachstum

Es sei erwähnt, dass sich Kornkanten verschieben können, wenn ungleiche Grenzflächenspannungen vorliegen. Sobald sich ein Sechseck [Struktur einer Bienenwabe, ebene Korngrenzenflächen, Gleichgewichtswinkel 120°] gebildet hat, herrscht Stabilität an den Korngrenzlagen und die Grenzflächenspannungen stehen im Gleichgewicht zueinander. Diesen Vorgang bezeichnet man als kontinuierliches Kornwachstum

Ist eine derartige Kornvergrößerung in einem Werkstoff gehemmt, so lässt sich dieser Zustand bei hohen Glühtemperaturen für einige Kristalle aufheben, Aus den betroffenen Kristalliten wachsen anschließend sehr große Körner, die benachbarte Kristallite aufbrauchen. Diesen Vorgang bezeichnet man als diskontinuierliches Kornwachstum oder auch als sekundäre Rekristallisation

Ändern sich während oder nach Abschluss der sekundären Rekristallisation die Oberflächenenergieverhältnisse, weil sich beispielsweise eine Oxidschicht bildet, so kann es erneut zu einem diskontinuierlichen Kornwachstum kommen. Man spricht dann von einer tertiären Rekristallisation.