Substitutionsmischkristall

Substitutionsmischkristalle oder Austauschmischkristalle entstehen durch Austausch der Atome A des Wirtsgitters durch Fremdatome des Elementes B (die Atome werden substituiert).

In vielen Fällen ist die Löslichkeit einer Atomsorte B in A begrenzt. Unter bestimmten Voraussetzungen kann jedoch jedes B-Atom ein A-Atom ersetzen, in diesem Fall spricht man von einer lückenlosen Mischkristallreihe bzw. vollständigen Mischbarkeit, da die Löslichkeit des Metalles A in B bis zu 100 % betragen kann.

Voraussetzungen für eine lückenlose Mischbarkeit von A und B sind: 1. Beide Metalle müssen den gleichen Gittertyp aufweisen (z. B. kfz - kfz). 2. Der Unterschied in den Atomdurchmessern darf höchsten 14 % betragen, die Atomradien müssen daher in etwa gleich groß sein. 3. Beide Elemente müssen eine geringe chemische Affinität zueinander aufweisen, dies gilt z. B. für benachbarte Elemente im Periodensystem. Im Allgemeinen verhalten sich die beteiligten Atomsorten gegeneinander indifferent, d. h. es bestehen keine gerichteten, anziehenden oder abstoßenden Kräfte und die Atome B sind im Wirtsgitter statistisch regellos verteilt (Bild 1a).

Sind jedoch die anziehenden Kräfte zwischen den ungleichen Atomen A-B stärker als zwischen den gleichartigen Atomen A-A bzw. B-B so entsteht eine geordnete Überstruktur (Bild 1b). Diese atomare Anordnung wird auch als Fernordnung bezeichnet, sie ist jedoch nur bei bestimmten Anteilen der gelösten Atome möglich. Bei thermischer Einwirkung kann diese Fernordnung leicht zerstört werden, da ja das System bei höheren Temperaturen den Unordnungszustand (den Zustand maximaler Entropie) anstrebt. Im umgekehrten Fall, z. B. beim Abkühlen oder bei der Erstarrung, kann sich eine Überstruktur daher auch nur bei langsamer Abkühlung bilden, da die Einstellung eines Ordnungszustandes viele Platzwechsel erfordert und dafür genügend Zeit zur Verfügung stehen muss. Bei rascher Abkühlung wird daher eine Bildung geordneter Strukturen unterbleiben. Die Eigenschaften von Überstrukturen weichen signifikant von denen der regellos aufgebauten Mischkristalle ab.

Aufgrund der durch die gelösten Atome B verursachten Gitterverzerrungen entstehen praktisch nie völlig regellose Verteilungen, sondern sogenannte Nahordnungen (Bild 1c). Die gelösten Atome B liegen dabei wesentlich seltener aneinander, als es der Wahrscheinlichkeit entsprechen würde.

Mit einer geeigneten Wärmbehandlung (s. Wärmebehandlung von aushärtbaren Aluminium-Legierungen, Aushärtung) können weitere, spezielle Verteilungszustände der gelösten Atome erzielt werden, z. B. in Form von Clustern oder einphasiger Entmischungen (Zonenbildung, siehe Bild 1d). Infolge der unterschiedlichen Atomdurchmesser wird dabei ein verhältnismäßig großer Bereich in der Nähe dieser Entmischungen verspannt, die Festigkeit wird dadurch erheblich gesteigert.

Weiterführende Stichworte:
Mischkristall
Einlagerungsmischkristall

Literatur:
Bargel H. J., Schulze G. (Hrsg.), Werkstoffkunde, 10. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008.

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