Ein Schmied erwärmt Stahl vor dem Verformen auf weit über 1000°C. Ist ein Metall weich und zäh bedeutet das, dass Versetzungen sehr gut beweglich sind.
Versetzungen begegnen uns vor allem in Metallen. Dort sind die Atome regelmäßig angeordnet und bilden kristalline Strukturen. Doch was wäre, wenn ein Metall – etwa Eisen – im Inneren völlig perfekt aufgebaut wäre, also ohne jeden Kristallbaufehler?
Die vielleicht überraschende Antwort: Ein solches Metall wäre technisch kaum nutzbar.
So paradox es klingt: Metalle funktionieren gerade wegen ihrer Kristallbaufehler. Und der wichtigste dieser Fehler ist die Versetzung. Sie ermöglicht die plastische Verformung von Metallen und beeinflusst entscheidend Eigenschaften wie Festigkeit und Zähigkeit.
Ein anschauliches Modell: die Teppichfalte
Die physikalische Beschreibung von Versetzungen ist komplex. Ein anschauliches Alltagsbeispiel hilft jedoch, das Prinzip zu verstehen.
Stellen wir uns den Werkstoff als großen Teppich vor, bei dem die Versetzung einer Falte im Teppich entspricht. Wenn wir den Teppich verschieben wollen, erzeugen wir eine solche Falte und bewegen sie über die Fläche. Reicht die Verschiebung nicht aus, folgt eine weitere Falte.
Durch die Bewegung und Orientierung vieler solcher Falten lässt sich der Teppich in jede Richtung verschieben. Übertragen auf den Werkstoff bedeutet das: Eine Versetzung bewegt sich durch das Kristallgitter und bewirkt dabei eine sehr kleine Verschiebung der Atomebenen.
Versetzungen und plastische Verformung
Plastische Verformung von Metallen, beispielsweise beim Walzen, erfolgt durch die Bewegung von Versetzungen durch das Kristallgitter, bis die gewünschte Bauteilform erreicht ist. Allerdings ist unsere Versetzung im Vergleich zur Teppichfalte winzig klein und „verschiebt“ den Werkstoff nur um etwa den zehnmillionsten Teil eines Millimeters.
Bei der Massivumformung eines Werkstoffes – z.B. beim Schmieden – wirken daher gleichzeitig unvorstellbar viele Versetzungen zusammen. Gerade diese kollektive Bewegung macht großskalige Formänderungen technisch möglich.
Warum Schmiede mit hohen Temperaturen arbeiten
Damit ein Werkstoff gut verformbar ist (den Teppich verschieben), müssen sich die Versetzungen (die Teppichfalten) möglichst frei bewegen können. Hindernisse im Werkstoff (auf dem Teppich) wie zum Beispiel Ausscheidungen oder Fremdatome (Gegenstände auf dem Teppich) behindern diese Bewegung.
Aus diesem Grund erwärmt der Schmied Stahl vor der Umformung häufig auf Temperaturen von weit über 1000 °C. Bei diesen Temperaturen lösen sich viele Ausscheidungen auf, und die Kristallstruktur des Stahls ändert sich so, dass sich Versetzungen leichter bewegen können.
Das Ergebnis: Der Werkstoff wird deutlich leichter verformbar.
Versetzungsbewegung und mechanische Eigenschaften
Die Beweglichkeit von Versetzungen bestimmt maßgeblich die mechanischen Eigenschaften eines Metalls. Sind Versetzungen leicht beweglich, zeigt der Werkstoff typischerweise eine geringe Festigkeit, dafür aber eine hohe Zähigkeit und gute Verformbarkeit.
Werden Versetzungen hingegen stark behindert, steigt die Festigkeit des Werkstoffs. Gleichzeitig nimmt jedoch meist die Duktilität ab – der Werkstoff wird spröder. Werkstofftechnik bedeutet daher oft, genau diesen Zusammenhang gezielt zu steuern.
Festigkeit durch gezielte Hindernisse
Soll ein Bauteil dauerhaft formstabil bleiben, müssen die Versetzungen in ihrer Bewegung eingeschränkt werden. Bei Stählen geschieht das häufig durch Wärmebehandlung, beispielsweise durch Vergüten. Während dieser Wärmebehandlung entstehen gezielt feine Ausscheidungen, etwa Eisenkarbide. Diese wirken im Kristallgitter wie Hindernisse für die Versetzungen – ähnlich wie Gegenstände auf dem Teppich, die das Verschieben einer Falte erschweren.
Je mehr solche Hindernisse vorhanden sind und je günstiger sie verteilt sind, desto stärker wird die Versetzungsbewegung blockiert und desto höher ist die Festigkeit des Werkstoffs.
Schmied und Wärmebehandler – zwei Perspektiven auf denselben Mechanismus
Schmied und Wärmebehandler beschäftigen sich schon seit Jahrtausenden mit Versetzungen (ohne das früher gewusst zu haben). Der Unterschied: Der Schmied will Versetzungen ungehindert durch das Kristallgitter der Metalle treiben. Der Wärmbehandler will üblicherweise genau das Gegenteil – er will die Versetzungen behindern wo er kann.
Interessanterweise arbeiten Schmied und Wärmebehandler mit demselben physikalischen Mechanismus – verfolgen dabei jedoch entgegengesetzte Ziele.
Der Schmied möchte die Versetzungen möglichst frei durch das Kristallgitter bewegen lassen, um den Werkstoff leicht umformen zu können. Der Wärmebehandler hingegen versucht meist genau das Gegenteil: Er baut gezielt Hindernisse auf, die die Bewegung der Versetzungen behindern und so die Festigkeit des Werkstoffs erhöhen.
Beide Prozesse – Umformen und Wärmebehandlung – beruhen letztlich auf der Kontrolle der Versetzungsbewegung im Kristallgitter.
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