Kubisch primitives Gitter
Das kubisch primitive Gitter, auch bekannt unter der Abkürzung SC für “simple cubic”, zeigt an jeder Ecke der würfelförmigen Zelle ein Atom auf. Insgesamt sind es also 8 Atome. Kubisch Primitive Gitter kommen nicht direkt in Metallen vor, können aber in Legierungselementen vorhanden sein. Die einzige Ausnahme bildet das Alpha Polonium (α-Polonium), ein radioaktives Metall, dessen Atome an jeder Ecke des Würfels sitzen. Primitive Gitter können außerdem in Hochdruckmodifikationen von Phosphor und Antimon nachgewiesen werden.
Kubisch raumzentriertes Gitter
Neben den 8 Eckatomen besitzt das kubisch raumzentrierte Gitter ein zusätzliches Atom in der Mitte der Zelle. Das bedeutet, dass das raumzentrierte Gitter 9 Atome anstelle von 8 aufweist. Metalle, die eine solche Struktur aufweisen sind unter anderem Chrom, Molybdän und α-Eisen, auch bekannt als Ferrit. Das raumzentrierte Gitter kann geformt werden, indem ein primitives Gitter in ein anderes fällt. Ein Eckatom fungiert dann als das zusätzliche Atom in der Mitte des anderen Gitters, welches charakteristisch für das raumzentrierte Gitter ist.
Kubisch flächenzentriertes Gitter
Wie der Name schon verrät, befindet sich im kubisch flächenzentrierten Gitter jeweils ein zusätzliches Atom auf jeder Seitenfläche des Würfels. Daraus folgt, dass insgesamt 14 Atome in einer Elementarzelle vorhanden sind (8 Eckatome + 6 Flächenatome). Aluminium, Gold, Nickel, Kupfer, Platin und γ-Eisen, auch bekannt als Austenit, sind die bekanntesten Metalle, die ein kubisch flächenzentriertes Gitter aufweisen. Die Struktur kann ebenfalls mittels primitiver Gitter hervorgerufen werden. Drei SC (simple cube) fügen sich an ein viertes SC, sodass deren Eckatome als Flächenatome im vierten SC fungieren.
Kubische Kristallsysteme von Stahl
Bei Stahl bestehen die drei bekanntesten Kristallstrukturen aus:
- Kubisch raumzentriertes Ferrit: Das α-Ferrit lässt sich in Kohlenstoff-Eisen Verbindungen finden, also die grundlegende Stahlform. Bei Temperaturen bis zu 912°C zeigen solche Stähle ein kubisch raumzentriertes Gitter auf.
- Kubisch flächenzentrierter Austenit: Der α-Ferrit wandelt sich bei 912°C in Austenit um. Bekannte Edelstahlsorten wie 1.4404 und 1.4301 gehören zur Gruppe der Austenite.
- Tetragonal raumzentrierter Martensit: Martensitische Stahlsorten besitzen ein tetragonal verzerrtes Gitter. Diese wird durch den schnellen Abschreckungsprozess in einem Umklappvorgang aus Austenit gebildet. Dadurch können Kohlenstoffatome nicht diffundieren, wodurch das Material härter, aber auch spröder wird. Allerdings handelt es sich hier streng genommen nicht um eine kubische Kristallstruktur, da eine Kantenlänge länger ist (a=b=/=c ). Die Elementarzelle ist also eher wie eine Art Quader, statt Würfel, aufgebaut. Man spricht hier von einem tetragonal verzerrten kubischen Gitter.
Kubisch-raumzentriertes Gitter
Eine Abwandlung des kubisch-primitiven Gitters ist das sogenannte kubisch-raumzentrierten Gitter (krz). In dieser Gitterstruktur liegen die einzelnen Atomebenen in den Lücken der jeweils darunter liegenden Ebene. Wie beim kubisch-primitiven Gitter hat auch dabei die Elementarzelle die Grundform eines Würfels (Kubus). Zusätzlich zu den Eckatomen, die jeweils in den Ecken der würfelförmigen Elementarzelle sitzen, befindet sich nun ein weiteres Atom zentriert in der Raummitte [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung]. Diese Atombelegung der Elementarzelle ist Namensgeber des kubisch-raumzentrierten Gitters.
Abbildung: Kubisch-raumzentriertes Gitter
Typische Vertreter solcher kubisch-raumzentrierten Strukturen sind unter anderem die Metalle Eisen, Chrom, Molybdän, Vanadium und Wolfram.
Video: Aufbau des kubisch-raumzentrierten Gitters
Abbildung: kubisch-raumzentrierte Elementarzelle
Im kubisch-raumzentrierten Gitter steht ein Atom in unmittelbarem Kontakt zu acht umgebenden Atome. Man bezeichnet diese Anzahl an direkten Nachbaratomen auch als Koordinationszahl. Die Koordinationszahl im krz-Gitter beträgt folglich 8. Im einfachen kubischen Gitter kommt man hingegen auf eine Koordinationszahl von 6.
Für die Darstellung von Elementarzellen ist es sinnvoll die Atome verkleinert zu zeichnen, auch wenn sich diese in Wirklichkeit "berühren". Um die räumliche Anordnung der Atome zu verdeutlichen, ist es ferner üblich die Grundform der Elementarzelle durch Striche anzudeuten. Diese Striche stellen keine Bindungskräfte dar!
Werden die Atome realistischer Weise als sich berührende Kugeln betrachtet, so kann auf diese Weise die sogenannte Packungsdichte eines Gitters ermittelt werden. Diese gibt an, wie viel Prozent der Elementarzelle mit Atome ausgefüllt ist. Für das kubisch-raumzentrierte Gitter lässt sich auf diese Weise eine Packungsdichte von 0,68 ermitteln. Dies bedeutet, dass 68 % des gesamten Gittervolumens (bzw. der Elementarzelle) mit Atomen besetzt sind. Die restlichen 32 % entfallen auf die "Lücken" zwischen den Atomen. Die Herleitung dieser Packungsdichte ist im nächsten Kapitel gezeigt.