Grundlagenwissen: Gittertypen der Metalle

Metalle kristallisieren in verschiedenen Gittertypen, die durch die Anordnung der Atome in der Elementarzelle definiert sind. Die Elementarzelle ist der kleinste räumliche Baustein einer räumlichen Kristall-/Gitterstruktur[1]. Es gibt sieben Kristallsysteme mit 14 verschiedenen Gittertypen[5]. Die meisten Metalle erstarren im kubischen oder hexagonalen System[9]. Die drei wichtigsten Gittertypen für Metalle sind das kubisch-flächenzentrierte (kfz), das kubisch-raumzentrierte (krz) und das hexagonal dichtest-gepackte Gitter (hdp)[6].

Kubisch-flächenzentriertes Gitter (kfz)

Im kubisch-flächenzentrierten Gitter befinden sich zusätzlich zu den Eckatomen in jeder Flächenmitte jeweils ein Atom. Die Elementarzelle eines kubisch-flächenzentrierten Gitters enthält insgesamt 14 Atome[7]. Typische Metalle mit einer kubisch-flächenzentrierten Struktur sind Aluminium, Blei, Kupfer und Nickel[6]. Weitere Beispiele sind Gold, Platin und Gamma-Eisen[7].

Kubisch-raumzentriertes Gitter (krz)

Eine Abwandlung des kubisch-primitiven Gitters ist das kubisch-raumzentrierte Gitter. In dieser Gitterstruktur befindet sich zusätzlich zu den Eckatomen, die jeweils in den Ecken der würfelförmigen Elementarzelle sitzen, ein weiteres Atom zentriert in der Raummitte[6].

Hexagonal dichtest-gepacktes Gitter (hdp)

Die hexagonal dichteste Packung ist eine wichtige Kristallstruktur zur Beschreibung von Festkörpern. Die Struktur eines Kristalls kann man sich als verschieden aufeinander geschichtete Ebenen vorstellen. Diese Ebenen bestehen aus vielen Atomen und Ionen. Bei der hexagonal dichtesten Packung nimmt man an, dass sich die Atome und Ionen wie starre Kugeln verhalten und sich so dicht wie möglich anordnen. Die Schichtfolge einer hexagonal dichtesten Packung lautet A-B-A-B-A-B[4]. Typische Metalle mit einer hexagonal dichtesten Packung sind Titan, Kobalt, Zink und Magnesium[6].

Es ist wichtig zu beachten, dass manche Metalle bei verschiedenen Temperaturen unterschiedliche Gittertypen besitzen. Diese Metalle werden als polymorphe Metalle bezeichnet[1]. Ein Beispiel dafür ist Eisen, das in verschiedenen Gittertypen kristallisieren kann[9].

Die Gitterstruktur eines Metalls hat einen erheblichen Einfluss auf seine mechanischen Eigenschaften. So hat beispielsweise die scheinbar geringe Unterschiede in der Stapelfolge zwischen dem kfz- und dem hdp-Gitter erhebliche Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des Gitters, insbesondere auf die Verformbarkeit der Gitterstruktur[3].

Quellen