Direkt zum Inhalt

Lexikon der Geowissenschaften: Versetzung

Versetzung, eindimensionaler, linienförmiger Kristallbaufehler. Eine mikroskopische Betrachtung der plastischen Deformation zeigt, daß die Verformung sich vorzugsweise auf den am dichtest gepackten Ebenen eines Kristalls abspielt. Dies kann man sich in einem Gedankenexperiment so vorstellen, daß sich zwei Kristallhälften auf dieser Ebene gegeneinander verschieben, wie dies in Abb. 1d angedeutet ist. Ein Vergleich der theoretisch notwendigen Schubspannung, um eine derartige Verschiebung über die gesamte Größe des Kristalls zu erreichen, mit den experimentellen Werten zeigt jedoch, daß der experimentelle Wert deutlich niedriger ist. Dies ist durch das Auftreten von Versetzungen möglich. Der einfachste Fall einer Stufenversetzung ist in Abb. 1b skizziert. Diese stellt einen linienförmigen Kristallbaufehler dar, den man sich als eine von oben eingeschobene zusätzliche Halbebene von Atomen vorstellen kann. Um den Versetzungskern, damit wird z.B. bei einer Stufenversetzung das Ende der eingeschobenen Halbebene bezeichnet, ist der Kristall stark verzerrt. Die Verschiebung und damit die Verformung eines Kristalls um einen Gittervektor wird nun dadurch realisiert, daß die eingeschobene Halbebene entlang der Netzebene durch den Kristall läuft. Damit ist das gleiche erreicht wie beim Verschieben der beiden Kristallhälften gegeneinander. Der dazu nötige Energieaufwand, der sich hauptsächlich aus der Verzerrungsenergie der Versetzung herleitet, ist im Vergleich jedoch wesentlich geringer als das Abgleiten einer ganzen Kristallhälfte in einem Stück.

Versetzungen werden durch zwei charakteristische Vektoren bestimmt. Zum einen ist dies der Burgers-Vektor

, der die Bewegungsrichtung – auch Gleitrichtung genannt – für einen Elementarschritt einer Versetzung bezeichnet, zum anderen die Ebenennormale der sog. Gleitebene, auf der die Versetzung sich bewegt. Der Burgers-Vektor

steht bei einer Stufenversetzung senkrecht auf der Versetzungslinie. Dieser Zustand stellt den einen Extremfall einer Versetzung dar. Im zweiten Extremfall steht

parallel zur Gleitrichtung, wie dies in Abb. 1c verdeutlicht ist. In diesem Fall spricht man von einer Schraubenversetzung. Die Atome um den verzerrten Bereich des Versetzungskerns sind dabei ähnlich einer Wendeltreppe angeordnet. Im allgemeinen Fall besitzt eine Versetzung sowohl Stufen- als auch Schraubencharakter. Die Energie des Verzerrungsfeldes um den Versetzungskern pro Längeneinheit, die sog. Versetzungsenergie, ist proportional G|

|2 (G entspricht hierbei dem Torsionsmodul; elastische Deformation). Diese Energie pro Länge kann man als Linienspannung interpretieren. Sie ist der Grund dafür, daß Versetzungen, sofern sie nicht unter einer lokal wirkenden Spannung stehen, versuchen, möglichst geradlinig zwischen den sie festhaltenden Hindernissen zu verlaufen. Umgekehrt kann man aus der Krümmung einer Versetzungslinie auf die lokal wirkende Spannung schließen.

Da die Versetzungsenergie proportional zu |

|2 ist, kann es für eine Versetzung energetisch günstiger sein, sich in zwei Teilversetzungen, auch Partialversetzungen genannt, mit kleinerem |

'|2 aufzuspalten. So kann z.B. in einem kubisch flächenzentrierten Metall eine Versetzung mit

=[101] a/2 in [112] a/6 + [2

1] a/6 unter Energiegewinn aufspalten. Da es sich bei den Vektoren [112] a/6 und [2

1] a/6 jedoch um keine Gittervektoren handelt, wird die Stapelfolge der Struktur zwischen den beiden Partialversetzungen gestört. Es entsteht ein Stapelfehler, dessen Bildung mit Energieaufwand verbunden ist. Dadurch können die Partialversetzungen nur bis zu einem gewissen Abstand aufspalten, der durch die Balance zwischen dem durch die Aufspaltung bedingten Energiegewinn und der aufzuwendenden Stapelfehlerenergie gegeben ist.

Der Widerstand, den ein Kristall der plastischen Verformung entgegensetzt, d.h. die Festigkeit, hängt von mehreren Faktoren ab: a) Ist ein Kristall hoher Perfektion frei von Versetzungen, kann dieser sehr hohe Spannungen tragen, falls nicht bereits durch die Krafteinleitung Versetzungen erzeugt werden. Dies ist bei sog. Whisker-Kristallen (Whiskers), die z.B. zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen eingesetzt werden können, möglich. Die Herstellung solcher Kristalle ist jedoch äußerst schwierig, da durch verschiedene Prozesse beim Kristallwachstum bereits Wachstumsversetzungen eingebaut werden können. b) Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Beweglichkeit von Versetzungen einzuschränken. Zum einen sind es die Versetzungen selbst. Da jede Versetzung auch die elastische Verspannung aller umgebenden Versetzungen spürt, stoßen sich Versetzungen gleichen Vorzeichens, z.B. zwei benachbarte Stufenversetzungen auf der gleichen Gleitebene, ab. Außerdem ist das Schneiden von z.B. zueinander senkrecht stehenden Versetzungen mit einem hohen Energieaufwand verbunden. Diese Prozesse bewirken, daß mit zunehmender Versetzungsdichte die plastische Verformung schwieriger wird und eine höhere Spannung erfordert. Mit zunehmender plastischer Verformung nimmt wegen verschiedener Versetzungsquellen die Versetzungsdichte zu, falls keine Erholungsmeachnismen (Erholung ) diese wieder abbauen. Des weiteren können im Kristall befindliche Ausscheidungen oder Teilchen die Beweglichkeit von Versetzungen erschweren, da diese wegen des sie oft umgebenden Spannungsfeldes oder wegen ihrer Kristallstruktur bzw. ihrer Orientierung zum Wirtsgitter entweder überhaupt nicht oder nur unter hohem Energieaufwand von Versetzungen durchquert werden können. Ist die wirkende Spannung hoch genug, dann „biegen” sich die Versetzungen Gummibändern ähnlich zwischen den Ausscheidungen durch. Da sich bei extrem starker Durchbiegung dann Versetzungen unterschiedlichen Vorzeichens (dies wäre beispeilsweise der Fall, wenn eine von oben eingeschobene Halbebene sich in der Nähe einer von unten eingeschobenen befindet) anziehen und zum Teil gegenseitig annihilieren können, bleibt ein Versetzungsring um die Ausscheidung übrig ( Abb. 2). Die Versetzung hat damit das Hindernis überwunden und kann sich weiter bewegen. Ein weiterer Mechanismus, die Beweglichkeit der Versetzungen herabzusetzen, ist die Mischkristallhärtung. Hierbei wird durch das Zulegieren anderer Atome meist unterschiedlicher Größe das Kristallgitter verspannt, so daß die Bewegung von Versetzungen erschwert wird. Hinzu kommt noch die direkte Wechselwirkung zwischen Fremdatomen und Versetzungen. Bei einer Stufenversetzung existiert durch die eingeschobene Halbebene oberhalb der Gleitebene eine Kompressions-, unterhalb eine Dilatationszone. Für Fremdatome ist es je nach ihrem relativen Größenunterschied zu den Atomen des Wirtsgitters energetisch günstiger, in eine dieser Zonen zu diffundieren. Dadurch entsteht eine Wechselwirkung zwischen der Versetzung und der sie umgebenden Wolke (Cottrel-Wolke) von Fremdatomen, die es der Versetzung erschwert, sich zu bewegen. c) Korngrenzen und hier vor allem Großwinkelkorngrenzen stellen in der Regel für Versetzungen unüberwindbare Hindernisse dar. Dies bedeutet, daß ein sehr feinkörniges Material sich wesentlich schwerer plastisch verformen läßt als das gleiche Material als Einkristall oder mit größeren Körnern.

Für eine Reihe wissenschaftlicher Fragestellungen ist die Versetzungsdichte von Interesse. Hierunter wird die auf ein Einheitsvolumen bezogene Linienlänge aller darin befindlicher Versetzungen verstanden, die z.B. auf einer elektronenmikroskopischen Aufnahme ausgemessen werden kann. Da die aufgrund der elastischen Verspannung gestörten Bereiche der Ausstoßpunkte einer Versetzung an einer Oberfläche leicht angeätzt werden können, ist es möglich, die Anzahl dieser Ätzgruben pro Flächeneinheit zu bestimmen. Diese Ätzgrubendichte steht in einem festen Verhältnis zur Versetzungsdichte. Ein Beispiel für eine mikroskopische Aufnahme von Ätzgruben an Ausstoßpunkten von Versetzungen auf einer Probenoberfläche ist in Abb. 3 dargestellt. [EW]


Versetzung 1: schematische Darstellung der verschiedenen Möglichkeiten der Abgleitung zweier Kristallbereiche; a) Ausgangszustand, b) über eine Stufenversetzung, c) über eine Schraubenversetzung, d) Endzustand, d.h. die zwei Kristallhälften sind um die Länge eines Burgers-Vektors

gegeneinander abgeglitten (

=Richtung der Versetzunslinie). Versetzung 1:

Versetzung 2: elektronenmikroskopische Aufnahme von Al2O3-Partikeln in Kupfer, die von Versetzungsringen (dunkle, linienförmige Kontraste) umgeben sind. Der Durchmesser der innersten Ringe beträgt ca. 1000 Å.

Versetzung 3: Ätzgruben von Einzelversetzungen und Versetzungen in Subkorngrenzen auf einer (100)-Oberfläche eines LiF-Kristalls.
  • Die Autoren
Redaktion

Landscape GmbH
Dipl.-Geogr. Christiane Martin
Nicole Bischof
Dipl.-Geol. Manfred Eiblmaier

Fachberater

Allgemeine Geologie
Prof. Dr. V. Jacobshagen, Berlin

Angewandte Geologie
Prof. Dr. H. Hötzl, Karlsruhe

Bodenkunde
Prof. Dr. H.-R. Bork, Potsdam

Fernerkundung
Prof. Dr. phil. M. Buchroithner, Dresden

Geochemie
Prof. Dr. W. Altermann, München

Geodäsie
Prof. Dr. K.-H. Ilk, Bonn

Geomorphologie
Prof. Dr. W. Andres, Frankfurt / Main

Geophysik
Prof. Dr. P. Giese, Berlin

Historische Geologie
Prof. Dr. H.-G. Herbig, Köln

Hydrologie
Prof. Dr. H.-J. Liebscher, Koblenz

Kartographie
Prof. Dr. W.G. Koch, Dresden

Klimatologie
Prof. Dr. Ch.-D. Schönwiese, Frankfurt / Main

Kristallographie
Prof. Dr. K. Hümmer, Karlsruhe

Landschaftsökologie
Dr. D. Schaub, Aarau, Schweiz

Meteorologie
Prof. Dr. G. Groß, Hannover

Mineralogie
Prof. Dr. G. Strübel, Gießen

Ozeanographie
Prof. Dr. J. Meincke, Hamburg

Petrologie
Dr. R. Hollerbach, Köln

Autoren

Allgemeine Geologie
Dipl.-Geol. D. Adelmann, Berlin
Dr. Ch. Breitkreuz, Berlin
Prof. Dr. M. Durand Delga, Avon, Frankreich
Dipl.-Geol. K. Fiedler, Berlin
Prof. Dr. V. Jacobshagen, Berlin
Dr. W. Jaritz, Burgwedel
Prof. Dr. H. Kallenbach, Berlin
Dr. J. Kley, Karlsruhe
Prof. Dr. M. Lemoine, Marli-le-Roi, Frankreich
Prof. Dr. J. Liedholz, Berlin
Prof. Dr. B. Meißner, Berlin
Dr. D. Mertmann, Berlin
Dipl.-Geol. J. Müller, Berlin
Prof. Dr. C.-D. Reuther, Hamburg
Prof. Dr. K.-J. Reutter, Berlin
Dr. E. Scheuber, Berlin
Prof. Dr. E. Wallbrecher, Graz
Dr. Gernold Zulauf, Frankfurt

Angewandte Geologie
Dr. A. Bohleber, Karlsruhe
Dipl.-Geol. W. Breh, Karlsruhe
Prof. Dr. K. Czurda, Karlsruhe
Dr. M. Eiswirth, Karlsruhe
Dipl.-Geol. T. Fauser, Karlsruhe
Prof. Dr.-Ing. E. Fecker, Karlsruhe
Prof. Dr. H. Hötzl, Karlsruhe
Dipl.-Geol. W. Kassebeer, Karlsruhe
Dipl.-Geol. A. Kienzle, Karlsruhe
Dipl.-Geol. B. Krauthausen, Berg / Pfalz
Dipl.-Geol. T. Liesch, Karlsruhe
R. Ohlenbusch, Karlsruhe
Dr. K. E. Roehl, Karlsruhe
Dipl.-Geol. S. Rogge, Karlsruhe
Dr. J. Rohn, Karlsruhe
Dipl.-Geol. E. Ruckert, Karlsruhe
Dr. C. Schnatmeyer, Trier
Dipl.-Geol. N. Umlauf, Karlsruhe
Dr. A. Wefer-Roehl, Karlsruhe
K. Witthüser, Karlsruhe
Dipl.-Geol. R. Zorn, Karlsruhe

Bodenkunde
Dr. J. Augustin, Müncheberg
Dr. A. Behrendt, Müncheberg
Dipl.-Ing. agr. U. Behrendt, Müncheberg
Prof. Dr. Dr. H.-P. Blume, Kiel
Prof. Dr. H.-R. Bork, Potsdam
Dr. C. Dalchow, Müncheberg
Dr. D. Deumlich, Müncheberg
Dipl.-Geoök. M. Dotterweich, Potsdam
Dr. R. Ellerbrock, Müncheberg
Prof. Dr. M. Frielinghaus, Müncheberg
Dr. R. Funk, Müncheberg
Dipl.-Ing. K. Geldmacher, Potsdam
Dr. H. Gerke, Müncheberg
Dr. K. Helming, Müncheberg
Dr. W. Hierold, Müncheberg
Dr. A. Höhn, Müncheberg
Dr. M. Joschko, Müncheberg
Dr. K.-Ch. Kersebaum
Dr. S. Koszinski, Müncheberg
Dr. P. Lentzsch, Müncheberg
Dr. L. Müller, Müncheberg
Dr. M. Müller, Müncheberg
Dr. T. Müller, Müncheberg
Dr. B. Münzenberger, Müncheberg
Dr. H.-P. Pior, Müncheberg
Dr. H. Rogasik, Müncheberg
Dr. U. Schindler, Müncheberg
Dipl.-Geoök. G. Schmittchen, Potsdam
Dr. W. Seyfarth, Müncheberg
Dr. M. Tauschke, Müncheberg
Dr. A. Ulrich, Müncheberg
Dr. O. Wendroth, Müncheberg
Dr. St. Wirth, Müncheberg

Fernerkundung
Prof. Dr. phil. M. Buchroithner, Dresden
Prof. Dr. E. Csaplovics, Dresden
Prof. Dr. C. Gläßer, Halle
Dr. G. Meinel, Dresden
Dr. M. Netzband, Dresden
Prof. Dr. H. Will, Halle

Geochemie
Prof. Dr. A. Altenbach, München
Prof. Dr. W. Altermann, München
Dr. St. Becker, Wiesbaden
Dr. A. Hehn-Wohnlich, Ottobrunn
P.D. Dr. St. Höltzl, München
Dr. M. Kölbl-Ebert, München
Dr. Th. Kunzmann, München
Prof. Dr. W. Loske, München
Dipl.-Geol. A. Murr, München
Dr. T. Rüde, München

Geodäsie
Dr.-Ing. G. Boedecker, München
Dr. W. Bosch, München
Dr. E. Buschmann, Potsdam
Prof. Dr. H. Drewes, München
Dr. D. Egger, München
Prof. Dr. B. Heck, Karlsruhe
Prof. Dr. K.-H. Ilk, Bonn
Dr. J. Müller, München
Dr. A. Nothnagel, Bonn
Prof. Dr. D. Reinhard, Dresden
Dr. Mirko Scheinert, Dresden
Dr. W. Schlüter, Wetzell
Dr. H. Schuh, München
Prof. Dr. G. Seeber, Hannover
Prof. Dr. M. H. Soffel, Dresden

Geomorphologie
Dipl. Geogr. K.D. Albert, Frankfurt / Main
Prof. Dr. W. Andres, Frankfurt / Main
Dipl. Geogr. P. Houben, Frankfurt / Main
Dr. K.-M. Moldenhauer, Frankfurt / Main
Dr. P. Müller-Haude, Frankfurt / Main
Dipl. Geogr. S. Nolte, Frankfurt / Main
Dr. H. Riedel, Wetter
Dr. J. B. Ries, Frankfurt / Main

Geophysik
Dr. G. Bock, Potsdam
Dr. H. Brasse, Berlin
Prof. Dr. P. Giese, Berlin
Prof. Dr. V. Haak, Potsdam
Prof. Dr. E. Hurtig, Potsdam
Prof. Dr. R. Meißner, Kiel
Prof. Dr. K. Millahn, Leoben, Österreich
Dr. F. R. Schilling, Potsdam
Prof. Dr. H. C. Soffel, München
Dr. W. Webers, Potsdam
Prof. Dr. J. Wohlenberg, Aachen

Geowissenschaft
Prof. Dr. J. Negendank, Potsdam

Historische Geologie / Paläontologie
Prof. Dr. W. Altermann, München
Dr. R. Becker-Haumann, Köln
Dr. R. Below, Köln
Dr. M. Bernecker, Erlangen
Dr. M. Bertling, Münster
Prof. Dr. W. Boenigk, Köln
Dr. A. Clausing, Halle
Dr. M. Grigo, Köln
Dr. K. Grimm, Mainz
Prof. Dr. Gursky, Clausthal-Zellerfeld
Dipl.-Geol. E. Haaß, Köln
Prof. Dr. H.-G. Herbig, Köln
Dr. I. Hinz-Schallreuther, Berlin
Dr. D. Kalthoff, Bonn
Prof. Dr. W. von Königswald, Bonn
Dr. habil R. Kohring, Berlin
E. Minwegen, Köln
Dr. F. Neuweiler, Göttingen
Dr. S. Noé, Köln
Dr. S Nöth, Köln
Prof. Dr. K. Oekentorp, Münster
Dr. S. Pohler, Köln
Dr. B. Reicherbacher, Karlsruhe
Dr. H. Tragelehn, Köln
Dr. S. Voigt, Köln
Dr. H. Wopfner, Köln

Hydrologie
Dr. H. Bergmann, Koblenz
Prof. Dr. K. Hofius, Boppard
Prof. Dr. H.-J. Liebscher, Koblenz
Dr. E. Wildenhahn, Vallendar
Dr. M. Wunderlich, Brey

Kartographie
Prof. Dr. J. Bollmann, Trier
Dipl. Geogr. T. Bräuninger, Trier
Prof. Dr. phil. M. Buchroithner, Dresden
Dr. G. Buziek, Hannover
Prof. Dr. W. Denk, Karlsruhe
Dr. D. Dransch, Berlin
Dipl. Geogr. H. Faby, Trier
Dr. K. Großer, Leipzig
Dipl. Geogr. F. Heidmann, Trier
Prof. Dr. K.-H. Klein, Wuppertal
Prof. Dr. W. Koch, Dresden
Prof. Dr. S. Meier, Dresden
Dipl. Geogr. A. Müller, Trier
Prof. Dr. J. Neumann, Karlsruhe
Prof. Dr. K. Regensburger, Dresden
Dipl.-Ing. Ch. Rülke, Dresden
Dr. W. Stams, Dresden
Prof. Dr. K.-G. Steinert, Dresden
Dr. P. Tainz, Trier
Dr. A.-D. Uthe, Berlin
Dipl. Geogr. W. Weber, Trier
Prof. Dr. I. Wilfert, Dresden
Dipl.-Ing. D. Wolff, Wuppertal

Kristallographie
Dr. K. Eichhorn, Karlsruhe
Prof. Dr. K. Hümmer, Karlsruhe
Prof. Dr. W. E. Klee, Karlsruhe
Dr. G. Müller-Vogt, Karlsruhe
Dr. E. Weckert, Karlsruhe
Prof. Dr. H.W. Zimmermann, Erlangen

Lagerstättenkunde
Dr. W. Hirdes, D-53113 Bonn
Prof. Dr. H. Flick, Marktoberdorf
Dr. T. Kirnbauer, Wiesbaden
Prof. Dr. W. Proschaska, Leoben, Österreich
Prof. Dr. E. F. Stumpfl, Leoben, Österreich
Prof. Dr. Thalhammer, Leoben, Österreich

Landschaftsökologie
Dipl. Geogr. St. Meier-Zielinski, Basel, Schweiz
Dipl. Geogr. S. Rolli, Basel, Schweiz
Dr. D. Rüetschi, Basel, Schweiz
Dr. D. Schaub, Frick, Schweiz
Dipl. Geogr. M. Schmid, Basel, Schweiz

Meteorologie und Klimatologie
Dipl. Met. K. Balzer, Potsdam
Dipl.-Met. W. Benesch, Offenbach
Prof. Dr. D. Etling, Hannover
Dr. U. Finke, Hannover
Prof. Dr. H. Fischer, Karlsruhe
Prof. Dr. M. Geb, Berlin
Prof. Dr. G. Groß, Hannover
Prof. Dr. Th. Hauf, Hannover
Dr. habil. D. Heimann,
Oberpfaffenhofen / Weßling
Dr. C. Lüdecke, München
Dipl. Met. H. Neumeister, Potsdam
Prof. Dr. H. Quenzel, München
Prof. Dr. U. Schmidt, Frankfurt / Main
Prof. Dr. Ch.-D. Schönwiese, Frankfurt / Main
Prof. Dr. W. Wehry, Berlin

Mineralogie
Prof. Dr. G. Strübel, Gießen

Ozeanographie
Prof. Dr. W. Alpers, Hamburg
Dr. H. Eicken, Fairbanks, Alaska, USA
Dr. H.-H. Essen, Hamburg
Dr. E. Fahrbach, Bremerhaven
Dr. K. Kremling, Kiel
Prof. Dr. J. Meincke, Hamburg
Dr. Th. Pohlmann, Hamburg
Prof. Dr. W. Zahel, Hamburg

Petrologie
Dr. T. Gayk, Köln
Dr. R. Hollerbach, Köln
Dr. R. Kleinschrodt, Köln
Dr. R. Klemd, Bremen
Dr. M. Schliestedt, Hannover
Prof. Dr. H.-G. Stosch, Karlsruhe

Schreiben Sie uns!

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

Partnerinhalte

Bitte erlauben Sie Javascript, um die volle Funktionalität von Spektrum.de zu erhalten.