Mischkristallverfestigung

Die Mischkristallverfestigung ändert die mechanischen Eigenschaften von Festkörpern durch den Einbau von Zwischengitter- oder Substitutionsatomen.

Festkörper mit einer Fernordnung haben eine regelmäßige Kristallstruktur. Werden Fremdatome in die Kristallstruktur eingebaut, so wird diese (das Kristallgitter) verzerrt. Geht die Verzerrung von einzelnen Atomen oder Molekülen aus, so spricht man von einem Punktdefekt. Atome mit ähnlichem Atomradius nehmen einen Substitutionsplatz im Kristallgitter ein, deutlich kleinere Atome (bei Metallen in der Praxis H, O, B, C, N) einen Zwischengitterplatz. Die Verzerrung des Kristallgitters behindert Gleitbewegungen im Kristall. Gleitbewegungen können dann nicht mehr in einer Ebene verlaufen, sondern müssen sich um die Verzerrungen herum bewegen, was eine höhere Energie erfordert. Das Material ist also fester geworden.

Mischkristallverfestigung in Metallen

Die Mischkristallverfestigung wird in Metallen gezielt eingesetzt um diese zu härten. Reine Metalle ( z.B. Fe, Al, Cu, Ni, Mg) sind bis auf wenige Ausnahmen sehr weich. Erst durch eine Verfestigung werden Metalle so hart wie wir es aus dem Alltag kennen. Die Mischkristallverfestigung ist eine von vier elementaren festigkeitssteigernden Methoden und erfordert, dass sich andere Elemente in dem Ausgangsmetall lösen. Es gibt Metalle mit vollständiger Löslichkeit, das heißt, dass die beiden Metalle für jede Konzentration nur eine Phase bilden, und Metalle mit begrenzter Löslichkeit, bei der sich bei Überschreiten der Löslichkeitsgrenze eine zweite Phase bildet. Ein Mischkristall besitzt nur eine Phase, bei zwei Phasen spricht man von einem Kristallgemisch. Jedoch kann auch ein Kristallgemisch eine Mischkristallverfestigung aufweisen. Je höher die Konzentration an gelösten Fremdatomen ist, desto höher ist die Mischkristallverfestigung. Genauso bewirkt eine größere Abweichung der Atomradien eine größere Verfestigung. Allgemein gilt, dass kleinere Substitutionsatome durch die Gitterverzerrung eine höhere Verfestigung bewirken als größere Substitutionsatome. Je mehr sich die Atomradien unterscheiden, desto geringer wird jedoch auch die Löslichkeit für die Substitutionsatome. Die Löslichkeit ist zudem auch temperaturabhängig. In den meisten Fällen steigt die Löslichkeit von Fremdatomen mit der Temperatur an. Deshalb ist die Mischkristallverfestigung eine festigkeitssteigernde Methode, die gegen Erhitzung resistent ist. Neben der Härte steigt durch die Mischkristallverfestigung auch die Zugfestigkeit an. Bruchdehnung, elektrische Leitfähigkeit und Schmelztemperatur sinken in der Regel.