Stapelfehlerbildung in FCC-Materialien

Ein Stapelfehler ist ein 2-dimensionaler Gitterfehler in bestimmten Kristallstrukturen. Der Fehler tritt im Allgemeinen in den dichtest gepackten Kristall-Ebenen der kubisch dichteste Kugelpackung (kdP) oder hexagonal dichtesten Kugelpackung auf, weil in diesen die Wechselwirkung zwischen den Atomen am stärksten ist. Wird die Stapelung von Kristallebenen mit der Abfolge z. B. -A-B-C-A-B-C- in ihrer Regelmäßigkeit unterbrochen, so liegt ein Stapelfehler vor.

Kristallsysteme

In der kdP bzw. einer kubisch flächenzentrierte Struktur (engl. FCC) sind die {111}-Ebenen am dichtesten, die in <111> Richtung gestapelt werden. Sie können als Abfolge -A-B-C-A-B-C- dargestellt werden. Es existieren zwei mögliche fehlerhafte Stapelfolgen. Ein extrinsischer Stapelfehler wird durch eine hinzugefügte Ebene dargestellt, z. B. -A-B-A-C-A-B-C-. Der intrinsische Stapelfehler ist entsprechend das Fehlen einer Ebene, z. B. -A-B-C-B-C-A-B-C-. Üblicherweise bildet sich bei der kfz Struktur eine lokale hexagonale Gitterstruktur (engl. HCP) mit der Stapelung -A-B-A-B- aus. Diese Periodizität entsteht auch, wenn ein Kristallteil um den unvollständigen Gittervektor a/6 <112> verschoben wird. Durch die Verschiebung werden die A-Ebenen zu B-Ebenen, die B-Ebenen zu C-Ebenen und die C-Ebenen zu A-Ebenen.[1]

In der hdP bzw. einer hexagonalen Gitterstruktur sind die {0001}-Ebenen am dichtesten, die in <0001> Richtung gestapelt werden. Hier ist jede zweite Netzebene identisch, -A-B-A-B-. Der extrinsische Fehler ist entsprechend -A-B-C-A-B-C-. Das Fehlen einer Stapelebene gibt es hingegen nicht, weil sonst zwei gleiche Ebenen übereinander liegen würden und nicht mehr dichtest gepackt sein könnten. Ein intrinsischer Stapelfehler ist nur möglich durch die Verschiebung eines Kristallteils um den Gittervektor a/3 in <21-20> bei der B-Ebenen zu C-Ebenen und A-Ebenen zu B-Ebenen werden, -A-B-C-A-C-A-.

Obwohl in kubisch raumzentrierten Strukturen (krz) keine dichteste Packung vorliegt, kann eine Stapelung von {211}-Ebenen angenommen werden. Daraus würde eine Periode mit 6 Ebenen folgen: -A-B-C-D-E-F-. Diese Metalle besitzen meist eine hohe Stapelfehlerenergie, weshalb ausgedehnte Stapelfehler selten von Bedeutung sind.

Bedeutung und Messung

Der Stapelfehler ist ein wichtiger Gitterfehler, da er zur Bildung von Korngrenzen führt und so die Bildung von Einkristallen verhindert. Stapelfehler entstehen beispielsweise durch Zwillingsbildung oder wenn eine Partialversetzung durch den Kristall läuft. Je kleiner die dazu nötige Stapelfehlerenergie (SFE, stacking fault energy), desto leichter bildet sich ein Stapelfehler.

Versetzungen können sich deshalb leicht in Partialversetzungen aufspalten. Schraubenversetzungen müssen dann zum Quergleiten unter Energieaufwand wieder einschnüren, deswegen steigt die Festigkeit. Die Aufspaltungsweite spielt weiterhin eine wichtige Rolle bei der Warmumformung. Da aufgespaltene Versetzungen schlecht quergleiten oder klettern können, ist bei Werkstoffen mit geringer Stapelfehlerenergie die dynamische Kristallerholung behindert und es findet eine stärkere Verfestigung des Metalls statt. Es kann sich so eine genügend große treibende Kraft für dynamische Rekristallisation aufbauen, die zu einem Kraftmaximum in der Warmfließkurve führt.

Metall Bronze Stahl Ag (Silber) Si (Silicium) Cu (Kupfer) Au (Gold) Mg (Magnesium) Fe (Eisen) Ni (Nickel) Al (Aluminum) Zn (Zink)
SFE (mJ m−2) <10[2] <10[2] 20–25[1][2] >42 60[1] -78[3][4] 75[2] 125 [5] 140 ± 40[6] 90[2][7] - 300[1] 160–250[8][2] 250[1]

Bei austenitischen Stählen sinkt die Stapelfehlerenergie z. T. deutlich ab im Gegensatz zu reinem Eisen und zeigt deshalb einen TWIP-Effekt.

Einzelnachweise

  1. a b c d e Oettel, Heinrich, Schumann, Hermann: Metallografie mit einer Einführung in die Keramografie. 15., überarb. und erw. Auflage. Weinheim, ISBN 978-3-527-32257-2, S. 47.
  2. a b c d e f Richard W. Hertzberg, Richard P. Vinci, Jason L. Hertzberg: Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials. John Wiley & Sons, Inc, 2013, ISBN 978-0-470-52780-1, S. 80.
  3. Venables, J. A. (1964). The electron microscopy of deformation twinning. Journal of physics and chemistry solids, 25, 685–690.
  4. Zhao, Y.H., Liao, Y.Y., Zhu, Y.T. (2005). Influence of stacking fault energy on nanostructure under high pressure torsion. Materials Science and Engineering A, 410–411, 188–193.
  5. N.V. Ravi Kumar et al., Grain refinement in AZ91 magnesium alloy during thermomechanical processing, Materials and Engineering A359 (2003), 150–157.
  6. Hermann Schumann: Einfluß der Stapelfehlerenergie auf den kristallographischen Umgitterungsmechanismus der γ/α-Umwandlung in hochlegierten Stählen. In: Kristall und Technik, Jg. 9 (1974), Heft 10, S. 1141–1152, ISSN 0023-4753 doi:10.1002/crat.19740091009.
  7. Luc Remy. PhD thesis,Universite de Paris-Sud, Orsay, France, 1975.
  8. Lawrence E. Murr. Interfacial Phenomena in Metals and Alloys. Addison-Wesley Pub. Co., 1975.