Rekristallisation

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Verlauf der Rekristallisation bei Aluminium. Im Rahmen der Kristallisation neugebildete Körner erscheinen hell

Rekristallisation beschreibt in der Metallkunde den Abbau von Gitterfehlern in den Kristalliten durch Neubildung des Gefüges aufgrund von Keimbildung und Kornwachstum. Ursache für die Festigkeitsabnahme durch die Rekristallisation ist der Abbau von Versetzungen. Wenn die Rekristallisation während der Umformung abläuft, dann spricht man von dynamischer Rekristallisation, nach dem Abschluss der Umformung erfolgt statische Rekristallisation. Ein Vorläufer der Rekristallisation ist (insbesondere bei kubisch raumzentrierten Metallen) die dynamische oder statische Erholung, die durch Umordnung von Gitterfehlern zu einem Festigkeitsabbau führt.

Technische Anwendung findet die Rekristallisation in der Rekristallisationsglühung, die nach einer Kaltumformung verwendet werden kann, um die Verfestigung abzubauen. Dazu wird der Werkstoff oberhalb der Rekristallisationstemperatur erwärmt.

Mechanismus der Rekristallisation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei der Rekristallisation bilden sich innerhalb eines Kristalls neue Körner. Die Keimbildung dieser neuen Körner geht von den Stellen im Gefüge aus, an denen sich die meisten Versetzungen befinden. Zunächst bilden sich sogenannte Subkörner, die im Verlauf der Rekristallisation zusammenwachsen und sich in die Umgebung ausdehnen. Die Rekristallisation findet im Gefüge statt, wenn eine Umformung aufgebracht wurde, die über dem kritischen Umformgrad liegt. Der kritischer Umformgrad oder kritischer Reckgrad ist bei den meisten Metallen eine Dehnung von rund fünf Prozent. Darunter gibt es nicht genügend Versetzungen, aus denen Rekristallisationskeime entstehen könnten. Selbst besonders hohe Temperaturen können in diesem Fall keine Rekristallisation bewirken.[1]

Liegt der Umformgrad knapp oberhalb des kritischen Umformgrades, bilden sich nur wenige Rekristallisationskeime, die sich weitestgehend ungehindert ausbreiten können. Die Korngröße nach Abschluss der Rekristallisation ist hoch. Liegt vor Beginn der Rekristallisation hingegen ein hoher Umformgrad durch Kaltverfestigung vor, gibt es viele Versetzungen und somit auch viele Rekristallisationskeime, die sich rasch gegenseitig stoppen: Die Korngröße ist klein. Die Rekristallisationstemperatur nimmt hingegen bis auf Sonderfälle bei besonders kleinem und besonders großem Umformgrad eine vernachlässigbaren Einfluss auf die mittlere Korngröße.[1]

Rekristallisationstemperatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als Rekristallisationstemperatur wird diejenige Temperatur bezeichnet, bei der ein Werkstoff innerhalb einer Betrachtungszeit vollständig rekristallisiert. Sie wird häufig als Faustregel mit 40 %[2] oder 50 %[1] der absoluten Schmelztemperatur abgeschätzt. Im Stahl kann sie bei thermomechanischer Behandlung durch die Mikrolegierungselemente Titan und Niob heraufgesetzt werden, die während der Warmumformung als feine Partikel ausscheiden. Bsp.: 0,1 % Niob erhöhen die Rekristallisationstemperatur um 300 K. Findet Umformung oberhalb der Rekristallisationstemperatur statt, so spricht man von Warmumformung, darunter handelt es sich um Kaltumformung beziehungsweise um Halbwarmumformung, wenn das Metall angewärmt wird, dabei aber nicht die Rekristallisationstemperatur überschreitet.

Riesenkornbildung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Sonderfall liegt bei hohen Rekristallisationstemperaturen bei gleichzeitig hohem Umformgrad vor: Hierbei entsteht ein Gefüge aus vielen sehr kleinen Körnern und einzelnen, deutlich größereren sogenannten Riesenkörnern. Der Grund: Je größer die Anzahl an Rekristallisationskeimen, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass einige nebeneinanderliegende Körner ein Kristallgitter gleicher Orientierung haben. Diese Körner wachsen zusammen, haben durch ihre Größe einen Wachstumsvorteil und zehren in der Folge kleine, in der Nachbarschaft liegende Körner auf. Riesenkörner sind technisch unerwünscht, da sie die Zähigkeit eines Werkstoffs verringern. Bei der Durchführung von Rekristallisationsglühungen wird daher der Bereich, in dem sich Riesenkörner bilden können, gemieden. Für Aluminium liegt der kritische Bereich der Riesenkornbildung bei Umformgraden oberhalb von etwa 60 Prozent und gleichzeitiger Rekristallisationstemperatur von über 500 °C.[1]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • G. Gottstein: Physikalische Grundlagen der Materialkunde. 2. Auflage. Springer, Berlin u. a. 2001, ISBN 3-540-41961-6 (Springer-Lehrbuch).
  • F. J. Humphreys, M. Hatherly: Recrystallization and Related Annealing Phenomena. 2. edition. Elsevier, Amsterdam u. a. 2004, ISBN 0-08-044164-5.
  • B. Ilschner, R. F. Singer: Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik. Eigenschaften, Vorgänge, Technologien. 4. neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Springer, Berlin u. a. 2005, ISBN 3-540-21872-6 (Springer-Lehrbuch).

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c d Christoph Broeckmann, Paul Beiss: Werkstoffkunde I. Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau der RWTH Aachen, Aachen 2014, S. 220–239.
  2. Rainer Schmidt: Ausscheidungsphänomene in Werkstoffen - Eine Einführung in die mathematische Modellierung. 1. Auflage, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1991, S. 130.