Gefüge (Werkstoffkunde)

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Der Begriff Gefüge kann unabhängig vom Werkstoff (Metall, Keramik oder Polymer) nach Schatt/Worch folgendermaßen definiert werden: "Der Begriff Gefüge kennzeichnet die Beschaffenheit der Gesamtheit jener Teilvolumina, von denen jedes hinsichtlich seiner Zusammensetzung und hinsichtlich der räumlichen Anordnung seiner Bausteine in bezug auf ein in den Werkstoff gelegtes ortsfestes Achsenkreuz in erster Näherung homogen ist. [...]. Das Gefüge ist durch die Art, Form, Größe, Verteilung und Orientierung der Gefügebestandteile charakterisiert."^[1]

Die Gefügebestandteile (Kristallite bzw. Körner, Füllstoffe und amorphe Bereiche) sind üblicherweise mikroskopisch klein und können nur mittels eines Lichtmikroskops qualitativ und quantitativ beschrieben werden. Die entsprechenden Fachgebiete sind heißen bei metallischen Werkstoffen: Metallografie, bei keramischen Werkstoffen: Keramografie und bei Polymeren: Plastographie.

Im Bereich der metallischen Werkstoffen und Legierungen wird dabei zwischen dem Primärgefüge und dem Sekundärgefüge unterschieden, auch wenn umgangssprachlich mit dem Begriff Gefüge üblicherweise das Sekundärgefüge gemeint ist.

Einkristalle und amorphe Materialien weisen keine lichtmikroskopisch auflösbaren Gefüge auf.

Primärgefüge

Vereinfachtes Schaubild für eine nichtdendritische Erstarrung:
(1) Bildung von Kristallisationskeimen, (2) Wachsen der Kristalle, (3) Fertiges Gefüge

Das Primärgefüge entsteht, wenn die Schmelze eines kristallinen Stoffes abkühlt. Beim Erreichen der Erstarrungstemperatur kommt es an vielen Stellen innerhalb der Schmelze, ausgehend von zufällig entstandenen Kristallisationskeimen, zur Kristallbildung. Diese Kristalle wachsen im weiteren Verlauf der Abkühlung solange, bis sie schließlich aneinanderstoßen. Je nachdem, ob es sich bei der Schmelze um einen ein- oder mehrphasig erstarrenden Stoff handelt, können im Verlauf der Ankristallisation von Schmelze an den Dendriten noch Entmischungsphänomene auftreten. Diese Entmischungen sind in unterschiedlichen Schmelzpunkten der beiden Stoffe und deren Löslichkeiten begründet. Die einzelnen Kristalle, dem Zufall der Entstehung und ihrer Lage in der Schmelze entsprechend, weisen unterschiedliche Ausrichtungen auf und können an den Grenzflächen nicht miteinander verwachsen.

Wird das Primärgefüge mit den Verfahren der Metallographie sichtbar gemacht, so erhält man einen qualitativen Eindruck über die Inhomogenitäten des Materials. Bei Gusswerkstoffen lassen sich damit in der Regel auch die Dendritenstrukturen zeigen.

Sekundärgefüge

In vielen Fällen kommt es im Nachgang der Erstarrung der Schmelze aufgrund der vorhandenen Restwärme zu einer quasi „unfreiwilligen“ Wärmebehandlung. Dieser Vorgang wird als Selbstanlassen bezeichnet. Ein Selbstanlassen, wie auch eine technische Wärmebehandlung, führt zu Umwandlungs-, Ausscheidungs- und Rekristallisierungsvorgängen, die das Sekundärgefüge zur Folge haben. Dies sind jedoch immer Festkörperreaktionen.

Versuch zur Gefügebildung

Ein mit bloßem Auge sichtbares Gefüge lässt sich mit Hilfe eines einfachen Versuchs erzeugen:
„Klempnerlot“ (Blei-Zinn-Legierung mit etwa 35% Zinn) wird mit einem Spiritus- oder Bunsenbrenner in einer Stahlkelle erhitzt und geschmolzen. Die Zugabe von Kolophonium macht die Oberfläche oxidfrei (die entstehenden Schlacken werden beiseite geschoben). Lässt man nun die Schmelze langsam abkühlen, kann die Kristallisation und Gefügebildung direkt beobachtet werden.

Gefügeschliffbilder und ihre Nutzung

Gefügeschliffbild „Weißer Temperguss“ (Vergrößerung 100:1)

Die Gefüge von Metallen werden mit den Mitteln der Metallographie an Materialproben herausgearbeitet und die unter dem Lichtmikroskop sichtbaren Gefügeschliffbilder anschließend analysiert. Durch Beurteilung von Größe, Form und Anordnung der Kristallite mit ihren Korngrenzen, sowie Verunreinigungen lassen sich umfangreiche Aussagen über den Wärmebehandlungszustand und die zu erwartenden mechanischen Eigenschaften tätigen.

Umgekehrt lässt sich das Gefüge der Metalle (und die daraus resultierenden technologischen Eigenschaften) durch gezielte Wärmebehandlung sehr genau einstellen. So wird z. B. bei austenitischen CrNi-Stählen eine bestimmte Korngröße eingestellt, um damit eine definierte Dehnung und Festigkeit zu erreichen.

Zur Beweisführung, vor allem bei der Analyse von Schadensfällen, werden die Gefüge üblicherweise fotografisch dokumentiert.