Was ist eine Korngrenze?
Wenn das Äußere eines festen Materials poliert und dann mit Säure geätzt wird, können Linien auf seiner Oberfläche durch ein Lichtmikroskop gesehen werden. Diese Linien sind die Korngrenzen oder die Linien, die den äußeren Rand der Körner markieren, kristallähnliche Formen, die sich bilden, wenn ein Material von flüssig zu fest abkühlt. Feststoffe, die keine Körner bilden, werden als amorph bezeichnet, da sich die sie bildenden Atome nicht wie in kristallinen Festkörpern zu Mustern organisieren.
Die Körner in kristallinen Materialien bilden sich ähnlich wie Schneeflockenkristalle, wenn Wasser gefriert. Bevor eine Flüssigkeit gefriert, gibt es Stellen im Inneren, die kühler sind als der Rest der Flüssigkeit. Das Korn wächst von diesen Stellen nach außen, bis es ein anderes Korn erreicht und zum Stillstand kommt. Wenn die gesamte Flüssigkeit zwischen aufeinander zuwachsenden Körnern zu einem Feststoff gefroren ist, bildet sich eine Korngrenze, wenn das Wachstum stoppt.
Gute Beispiele für kristalline Feststoffe sind Metalle und Metalllegierungen. Metallurgen, die sich mit dem Entwerfen von Eigenschaften in Metallen befassen, stellen fest, dass die Korngrenze wichtig ist, um die Funktion von Metallen für verschiedene Anwendungen zu ändern. Die Größe und Form der Körner und ihrer Grenzen kann durch Erhitzen und Abkühlen des Metalls mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten oder durch Kaltverformen der Körner und Verdünnen durch Komprimieren unter Einwirkung bei Raumtemperatur geändert werden.
Um die Eigenschaften eines Metalls zu verändern, wird es einer ausreichenden Hitze ausgesetzt, so dass sich die Korngrenzen auflösen und neu bilden. Dieser Prozess wird als Tempern bezeichnet. Je langsamer die Abkühlgeschwindigkeit ist, desto größer ist die gebildete Korngröße. Wenn ein Metallteil beansprucht wird, bewegen sich die Defekte und Löcher in den Atomlagen des Metalls, die als Versetzungen bezeichnet werden, aus dem Inneren des Korns in Richtung seiner Korngrenze. Wenn das Metall schnell abgekühlt ist, haben die Körner weniger Zeit zum Wachsen, werden kleiner, und Versetzungen stoßen an widerstandsfähige Grenzen, wodurch das Metall fester wird - beispielsweise kleinkörnige Eisenlegierungen. Wenn das Metall langsam abkühlt, sind die Körner größer, da Versetzungen mehr Zeit haben, sich zur Grenze hin zu bewegen, ohne den Beginn eines größeren Lochs oder Risses zu verursachen. In Metallen wie Kupfer und Aluminium sind große Körner zu sehen, die duktil sind, sich leicht ausdehnen und langsam reißen.
Die Korngrenze ist der Bereich auf der Oberfläche eines Korns, der sowohl für korrosive Angriffe durch chemische Schadstoffe als auch für erzwungenes Risswachstum anfälliger ist und mit der Zeit zum Versagen oder Brechen eines Metallteils führen kann. Metalle mit kleinen Körnern sind in der Regel fester als Metalle mit größeren Körnern, haben jedoch eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass sie an ihren Grenzen reißen, spröde werden und ohne Vorwarnung brechen. Risse in duktilen Metallteilen, wie z. B. in Düsen verwendeten Aluminiumlegierungen, mit wenigen Versetzungen an ihren Korngrenzen, wachsen langsam. Sie können sicher über die Zeit verfolgt werden, um vorherzusagen, wie viel Lebensdauer ein Metallteil hat oder wie viel Zeit das Teil hat, bevor es nicht mehr richtig funktionieren kann.