Quelltext der Seite Rekristallisation

[[Datei:RecrystallisationOfAluminium.jpg|mini|Verlauf der Rekristallisation bei [[Aluminium]]. Im Rahmen der Kristallisation neugebildete [[Kristallit|Körner]] erscheinen hell]]
'''Rekristallisation''' ist ein Begriff aus der [[Metallkunde]] und [[Kristallographie]] und beschreibt den Abbau von [[Gitterfehler]]n in [[Kristallit]]en durch [[Gefüge (Werkstoffkunde)|Gefüge]]<nowiki></nowiki>veränderungen infolge von [[Keimbildung]] und [[Kornwachstum]]. Er geht mit einer [[Festigkeit]]s<nowiki></nowiki>abnahme und üblicherweise einer [[Kornfeinung]] einher. Voraussetzung sind durch die [[Umformung]] eingebrachte [[Versetzung (Materialwissenschaft)|Versetzungen]], als Keime für die Kristallitneubildung.

Wenn die Umformung oberhalb der Rekristallisationstemperatur abläuft, kann dynamische Rekristallisation beobachtet werden; nach Abschluss der Umformung läuft statische Rekristallisation ab. Die Rekristallisation schließt sich (insbesondere bei [[kubisch raumzentriert]]en [[Metall]]en) an die dynamische oder statische [[Kristallerholung|Erholung]] an, die durch Umordnung von Gitterfehlern zu einem Festigkeitsabbau führt.

Rekristallisation wird in der [[Rekristallisationsglühen|Rekristallisationsglühung]] genutzt, die nach einer [[Kaltumformung]] angewendet wird, um die [[Verfestigung (Werkstoffkunde)|Verfestigung]] abzubauen und das angestrebte Gefüge einzustellen. Dazu wird der [[Werkstoff]] oberhalb der Rekristallisationstemperatur erwärmt.

== Mechanismus ==
Bei der Rekristallisation bilden sich innerhalb eines [[Kristall]]s neue Körner. Die Keimbildung dieser neuen Körner geht von den Stellen im Gefüge aus, an denen sich die meisten Versetzungen befinden. Dies ist der Fall an [[Korngrenze]]n, [[Inklusion (Mineralogie)|Einschlüssen]] und statischen Versetzungen wie z.&nbsp;B. [[Kleinwinkelkorngrenze]]n, wo es bei [[plastische Verformung|plastischer Verformung]] zum Versetzungsstau kommt.<ref>{{Literatur |Titel=Werkstoffkunde |Verlag=Springer Berlin Heidelberg |Ort=Berlin, Heidelberg |Datum=2012 |Reihe=Springer-Lehrbuch |ISBN=978-3-642-17716-3 |DOI=10.1007/978-3-642-17717-0 |Online=https://link.springer.com/book/10.1007%2F978-3-642-17717-0 |Abruf=2020-09-16}}</ref> Zunächst bilden sich Subkörner, die im Verlauf der Rekristallisation zusammenwachsen und sich in die Umgebung ausdehnen. Die [[Aktivierungsenergie]] der Rekristallisation setzt sich aus der [[Kristallisationsenthalpie]] und der [[Oberflächenenergie]] des Kristallkeimes zusammen.

Die Rekristallisation findet im Gefüge nach einer [[Umformung]] statt, die über dem kritischen [[Umformgrad]] bzw. dem kritischen Reckgrad liegt. Dieser entspricht bei den meisten Metallen eine [[Dehnung]] von rund fünf Prozent. Darunter gibt es nicht genügend Versetzungen, aus denen Rekristallisationskeime entstehen könnten; selbst besonders hohe Temperaturen können in diesem Fall keine Rekristallisation bewirken.<ref name='broeckmann'>Christoph Broeckmann, Paul Beiss: ''Werkstoffkunde I''. Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau der [[RWTH Aachen]], Aachen 2014, S. 220–239.</ref>
* Liegt der Umformgrad knapp unterhalb des kritischen Umformgrades, so bilden sich nur wenige Rekristallisationskeime, die sich weitestgehend ungehindert ausbreiten können; die [[Korngröße]] nach Abschluss der Rekristallisation ist hoch.
* Liegt vor Beginn der Rekristallisation hingegen ein hoher Umformgrad durch [[Kaltverfestigung]] vor, so gibt es viele Versetzungen und somit auch viele Rekristallisationskeime, die sich rasch gegenseitig stoppen: Die Korngröße ist klein.
Hingegen nimmt die Rekristallisationstemperatur – bis auf Sonderfälle bei besonders kleinem und besonders großem Umformgrad – nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die mittlere Korngröße.<ref name='broeckmann' />

== Kinetik ==
[[Datei:Skizze-Rekristallisationskinetik.png|rechts|rahmenlos]]
{{Hauptartikel|Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorow-Gleichung}}Die Rekristallisationskinetik läuft in drei Stufen ab, der [[Keimbildung]], dem [[Kornwachstum]] und dem Aufeinandertreffen von rekristallisierten Körnern.

=== Keimbildung ===
Für eine Rekristallisationskeimbildung müssen drei Instabilitäten gleichzeitig überwunden werden:<ref>{{Literatur |Autor=Gottstein, Günter |Titel=Materialwissenschaft und Werkstofftechnik Physikalische Grundlagen |Hrsg= |Sammelwerk= |Band= |Nummer= |Auflage=4., neu bearb. Aufl. 2014 |Verlag= |Ort=Berlin, Heidelberg |Datum= |ISBN=978-3-642-36603-1 |Seiten=340}}</ref>
* Die [[thermodynamisch]]e Instabilität: Erst ab einer kritischen Keimgröße geht weiteres Wachstum mit einer Verringerung der [[freie Enthalpie|freien Enthalpie]] einher.
* die [[mechanisch]]e Instabilität: Eine Bewegungsrichtung kann z.&nbsp;B. durch einen Defektdichtegradienten gegeben werden.
* die [[kinetisch]]e Instabilität: Großwinkelkorngrenzen haben eine höhere Mobilität, aber auch eine höhere Oberflächenenergie.

=== Kornwachstum ===
Mathematisch kann das Kornwachstum in Näherung mit konstanter Kornwachstumsrate beschrieben werden. [[Andrei Nikolajewitsch Kolmogorow|Kolmogorov]] beschrieb dieses Modell 1937. Aus einem Punkt wächst nach der Keimbildungszeit <math>t_0</math> mit der Rate <math>G</math> über die Zeit <math>t</math> eine Kugel mit Radius <math>R</math>:

:<math>R = G(t - t_0)</math>

Der [[Volumenanteil]] <math>f</math> des rekristallisierten Gefüges wird dann zusammen mit der Keimbildungsrate <math>\dot {N}</math> berechnet:

:<math>\begin{align}
f &= {\frac {4}{3}}\pi \ {\dot {N}}G^{3}\int _{0}^{t}(t-t_{0})^{3} \, dt\\
  &= {\frac {\pi \ }{3}} {\dot {N}}G^{3}t^{4}
\end{align}</math>

Diese Gleichung gilt in den frühen Stadien der Rekristallisation, wenn <math>f \ll 1</math> ist und die wachsenden Körner nicht aufeinanderstoßen.

=== Aufeinandertreffen der rekristallisierten Körner ===
Sobald die Körner in Kontakt kommen, verlangsamt sich die Wachstumsrate und wird durch die Johnson-Mehl-Gleichung mit dem Anteil des nicht rekristallisierten Gefüges <math>(1 - f)</math> in Beziehung gesetzt:<ref>{{Literatur |Autor=Oettel, Heinrich, Schumann, Hermann |Titel=Metallografie mit einer Einführung in die Keramografie |Hrsg= |Sammelwerk= |Band= |Nummer= |Auflage=15., überarb. und erw. Auflage |Verlag= |Ort=Weinheim |Datum= |ISBN=978-3-527-32257-2 |Seiten=499}}</ref>

:<math>f = 1 - \exp \left( -{\frac {\pi \ }{3}}{\dot {N}}G^{3}t^{4} \right)</math>

Diese Gleichung liefert zwar eine bessere Beschreibung des rekristallisierten Gefügeanteils, setzt aber immer noch voraus, dass die Körner kugelförmig sind, die Keimbildungs- und Wachstumsraten konstant sind, die Keime zufällig verteilt sind und die Keimbildungszeit <math>t_0</math> klein ist. In der Realität sind nur wenige dieser Annahmen tatsächlich gültig, weshalb modifizierte Modelle verwendet werden.

== Rekristallisationstemperatur ==
Als '''Rekristallisationstemperatur''' wird diejenige Temperatur bezeichnet, bei der ein Werkstoff innerhalb einer Betrachtungszeit vollständig rekristallisiert. Sie wird häufig als [[Faustregel]] mit 40 %<ref name='schmidt'>Rainer Schmidt: ''Ausscheidungsphänomene in Werkstoffen - Eine Einführung in die mathematische Modellierung.'' 1. Auflage, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1991, S. 130.</ref> oder 50 %<ref name='broeckmann' /> der absoluten [[Schmelztemperatur]] (s. [[homologe Temperatur]]) abgeschätzt.

Ein höherer Umformgrad senkt die Rekristallisationstemperatur. Im [[Stahl]] kann sie bei [[thermomechanisches Verfahren|thermomechanischer Behandlung]] durch die Mikro[[legierungselement]]e [[Titan (Element)|Titan]] und [[Niob]] heraufgesetzt werden, die während der [[Warmumformung]] als feine Partikel [[Ausscheidungshärten|ausscheiden]]. Bsp.: 0,1 % Niob erhöhen die Rekristallisationstemperatur um 300&nbsp;[[Kelvin|K]].

Findet Umformung oberhalb der Rekristallisationstemperatur statt, so spricht man von [[Warmumformung]], darunter handelt es sich um [[Kaltumformung]] bzw. [[Halbwarmumformung]], wenn das Metall angewärmt wird, aber die Rekristallisationstemperatur nicht überschreitet.

== Riesenkornbildung ==
Ein Sonderfall liegt bei hohen Rekristallisationstemperaturen und gleichzeitig hohem Umformgrad vor: Hierbei entsteht ein Gefüge aus vielen sehr kleinen Körnern und einzelnen, deutlich größeren Riesenkörnern. Der Grund: Je größer die Anzahl an Rekristallisationskeimen, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass einige nebeneinanderliegende Körner ein [[Kristallgitter]] gleicher [[Kornorientierung|Orientierung]] haben. Diese Körner wachsen zusammen, haben durch ihre Größe einen Wachstumsvorteil und zehren in der Folge kleine, in der Nachbarschaft liegende Körner auf.

Riesenkörner sind technisch unerwünscht, da sie die [[Zähigkeit]] eines Werkstoffs verringern. Beim Rekristallisationsglühen wird daher der kritische Bereich, in dem sich Riesenkörner bilden können, gemieden. Für Aluminium liegt dieser Bereich bei Umformgraden oberhalb von etwa 60&nbsp;Prozent und gleichzeitiger Rekristallisationstemperatur von über 500&nbsp;°C.<ref name='broeckmann' />

== Sekundäre Phasen ==
Viele [[Legierung]]en von industrieller Bedeutung haben einen gewissen Volumenanteil an [[Intermetallische Verbindung|Ausscheidungen]] oder weiteren [[Phase (Materie)|Phasen]], sei es durch absichtliche Legierungszusätze oder aufgrund von Verunreinigungen. Abhängig von ihrer Größe und Verteilung können solche Phasen und Partikel die Rekristallisation entweder fördern oder verzögern.

=== Kleine Partikel ===
Die Rekristallisation wird bei kleinen, eng beieinander liegenden Teilchen durch [[Zener-Pinning]] sowohl an Klein- als auch Großwinkelkorngrenzen verhindert oder erheblich verlangsamt. Dieser Druck wirkt direkt gegen die treibende Kraft, die aus der [[Versetzungsdichte]] entsteht, und beeinflusst sowohl die Keimbildung als auch die Wachstumskinetik.

Der Effekt kann in Bezug auf das Teilchen[[dispersion]]s<nowiki></nowiki>niveau <math>F_{v}/r</math> rationalisiert werden, wobei <math>F_{v}</math> der Volumenanteil der zweiten Phase <math>r</math> der Radius ist:

* Bei niedrigem <math>F_{v}/r</math> wird die [[Korngröße]] durch die Anzahl der Partikel bestimmt und kann daher zunächst sehr klein sein. Die Körner sind jedoch in Bezug auf das Kornwachstum instabil und werden daher während des Glühens wachsen, bis die Teilchen einen ausreichenden Pinning-Druck ausüben, um sie zu stoppen.
* Bei moderatem <math>F_{v}/r</math> wird die Korngröße immer noch durch die Anzahl der Kerne bestimmt, aber jetzt sind die Körner stabil in Bezug auf normales Wachstum.
* Bei hohem <math>F_{v}/r</math> ist die nicht rekristallisierte verformte Struktur stabil, die Rekristallisation wird unterdrückt.

=== Große Partikel ===
Die Spannungsfelder um nicht verformbare große Partikel (<&nbsp;1&nbsp;[[Meter #Mikrometer|μm]])<!-- ist hier tatsächlich das kleiner-Zeichen gemeint oder nicht doch eher grö?er --> sind durch hohe Versetzungsdichten und große Orientierungs[[gradient]]en gekennzeichnet und damit ideale Orte für die Entwicklung von Rekristallisationskeimen. Dieses Phänomen, das als ''partikelstimulierte Keimbildung'' bezeichnet wird, bietet eine der wenigen Möglichkeiten, die Rekristallisation über die Partikelverteilung zu steuern.

== Siehe auch ==
* [[Umkristallisation]], ein Verfahren zur Reinigung chemischer Substanzen.

== Literatur ==
* G. Gottstein: ''Physikalische Grundlagen der Materialkunde.'' 2. Auflage. Springer, Berlin u. a. 2001, ISBN 3-540-41961-6 (''Springer-Lehrbuch'').
* F. J. Humphreys, M. Hatherly: ''Recrystallization and Related Annealing Phenomena.'' 2. edition. Elsevier, Amsterdam u. a. 2004, ISBN 0-08-044164-5.
* [[Bernhard Ilschner]], R. F. Singer: ''Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik. Eigenschaften, Vorgänge, Technologien.'' 4. neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Springer, Berlin u. a. 2005, ISBN 3-540-21872-6 (''Springer-Lehrbuch'').

== Weblinks ==
* [https://www.ifw-dresden.de/ifw-institutes/ikm/seminars-and-lectures/vorlesungsskript-physikalische-werkstoffeigenschaften/ Physikalische Werkstoffeigenschaften] (Ausführliches Vorlesungsskript TU Dresden, davon insbesondere Kapitel 14 und 15 relevant)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Festkörperchemie]]
[[Kategorie:Metallkunde]]
[[Kategorie:Gefüge (Werkstoffkunde)]]
[[Kategorie:Chemisch-technisches Verfahren]]