Mikrostruktureffekte

Mikrostruktureffekte bezeichnen die Auswirkungen der mikrostrukturellen Merkmale auf die mechanischen, thermischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften von Materialien. Die Mikrostruktur umfasst Körner und deren Grenzflächen, Phasenverteilung, Versetzungen, Porosität, Textur sowie angelagerte oder precipitate Phasen. Sie entsteht durch Herstellung und Verarbeitung wie Zerspanung, Wärmebehandlung, Legierungsbildung und Sintern.

Mechanische Effekte: Die Festigkeit, Härte, Zähigkeit und Duktilität hängen stark von der Korngröße, der Phasenverteilung und dem Vorhandensein von Versetzungen ab. Die Hall-Petch-Beziehung beschreibt, dass kleinere Körner die Verformung durch Versetzungsbewegung stärker behindern und so die Festigkeit erhöhen. Umgekehrt können grobe Körner oder bestimmte Phasen die Zähigkeit mindern. Weitere Verstärkungsmechanismen umfassen Ausscheidungs- bzw. Präzipitationshärtung und Textur.

Diffusion und Temperaturabhängigkeit: Diffusionsprozesse laufen an Korngrenzen in der Regel schneller ab als im Kristallgitterkern, was Verhalten wie Sintern, Alterung oder Kristallwachstum beeinflusst. Bei hohen Temperaturen können Körner verschmelzen, die Kornwachstumsprozesse ändern die Eigenschaften. Elektrische und thermische Leitfähigkeit sind ebenfalls von der Mikrostruktur abhängig; Grenzflächen streuen Elektronen und verringern oft die Leitfähigkeit.

Chemische und äußere Umfeld: Korrosionsverhalten und Verschleiß werden durch Mikrostruktur gesteuert. Korngrenzen, Phasenbindungen und Defekte können als Angriffspunkte dienen oder die Bildung schützender Schichten erleichtern. Magnetische Eigenschaften hängen von der Größenordnung und Textur ab; grobe Körner können Koerzitivfeld und Permeabilität beeinflussen. In keramischen Werkstoffen und Halbleitern dominieren ähnliche Beziehungen.

Erfassung und Nutzung: Mikrostruktureffekte werden durch optische Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (REM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und EBSD (Electron Backscatter Diffraction) charakterisiert. Die gezielte Beeinflussung der Mikrostruktur durch Wärmebehandlung, Legierungszusätze oder mechanische Verarbeitung ermöglicht das Design von Materialien mit maßgeschriebenen Eigenschaften.