Kornfeinung


Kornfeinung

Kornfeinung ist eine Möglichkeit zum Erhöhen der Festigkeit metallischer Werkstoffe. Es handelt sich dabei um die Erzeugung eines feineren, kleineren Korns im Gefüge durch geeignete Wärmebehandlung oder Behandlung (Impfen) der Schmelze .

Für die Abhängigkeit der Streckgrenze $ R_e $ von der Korngröße gilt die sog. Hall-Petch-Beziehung:

$ R_e = \sigma_0 + {K \over \sqrt{d_{\rm K}}} $

mit $ \sigma_0 $ der Startspannung für die Versetzungsbewegung ("Reibungsspannung"), K dem Korngrenzwiderstand und $ d_{\rm K} $ dem mittleren Korndurchmesser. Es sind Konstanten, die vom Werkstoffzustand und den Prüfbedingungen abhängen.

Praktische Bedeutung

  • Die Kornfeinung erhöht die Festigkeit von metallischen Werkstoffen (ohne Minderung der Zähigkeit) durch Absenken ihrer Übergangstemperatur. Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass durch die Herabsetzung des Schermoduls an Korngrenzen die Erzeugung von Versetzungen erleichtert wird.[1] Eine andere geht davon aus, dass ein Riss an jeder Korngrenze seine Richtung ändern muss. Dies verringert beispielsweise die Neigung des Stahls zur Entstehung von Warmrissen.
  • Zusätzlich steigt durch die feinere Körnung auch die Duktilität der Werkstoffe, da resultierend aus dem feineren Korn die Wahrscheinlichkeit besteht, dass mehr Gleitebenen günstig zur Richtung der Zugbeanspruchung (45° Winkel) liegen. Daraus folgt eine gesteigerte Anzahl möglicher Gleitvorgänge.
  • Zu Bedenken ist dabei allerdings auch, dass bei kleineren Kristalliten mehr Korngrenzen entstehen und so eine höhere Korrosionsanfälligkeit besteht. Je kleiner der mittlere Durchmesser der Körner $ d_{\rm K} $, desto größer der Festigkeitsunterschied $ \Delta \sigma $ (siehe hierzu: Spannungs-Dehnungs-Diagramm). Dies verdeutlicht die Hall-Petch-Beziehung:
$ \Delta \sigma = {K \over \sqrt{d_{\rm K}}} $

Jeder Werkstoff ist immer bestrebt, einen Gleichgewichtszustand mit dem geringstmöglichen Energieinhalt herzustellen. Eine höhere Festigkeit bedeutet einen hohen Energieinhalt, den der Werkstoff durch Korrosion abbaut. Trotz der vielen Hindernisse, die sich innerhalb des Werkstoffes durch die kleineren Körner ergeben, ist der Werkstoff gut verformbar. Aus diesen Gründen werden Feinkorn-Stahlbleche zum Beispiel in der Automobilindustrie eingesetzt. Die höhere Festigkeit ermöglicht es, dünnere Bleche zu verwenden (und somit auch Gewicht einzusparen). Aufgrund der starken Korrosionsanfälligkeit müssen Vorkehrungen zum Korrosionsschutz getroffen werden. Aus diesem Grund werden Autokarosserien häufig verzinkt.

  • Besonders bei harten und sehr spröden Werkstoffen ist die Kornfeinung von großem Nutzen, da sie eine Möglichkeit darstellt, diese Werkstoffe weniger spröde herzustellen.

Quellen

  1. Yoshisato Kimuraa, David P. Pope, Ductility and toughness in intermetallics, Intermetallics, 6 (1998) 567-571, DOI 10.1016/S0966-9795(98)00061-2