Experimentelle Legierungen widerstehen Bruch bei -253 Grad Celsius
Niob- und Titanlegierungen ordnen ihre internen Kristallstrukturen neu, um unter tiefkryogenen Bedingungen Spannungen aufzunehmen.
Von Letizia Giugliano
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Zwei experimentelle Niob-Titan-Legierungen bleiben bei -253 °C flexibel und widerstehen Rissbildung, wie eine am 14. Oktober in Nature veröffentlichte Studie zeigt. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der University of California, Berkeley, des Lawrence Berkeley National Laboratory und der University of Oxford entdeckte, dass sich die Metalle unter mechanischer Belastung intern umorganisieren. Diese metallurgische Innovation verändert, wie Werkstoffe für extreme Kälte in Energiesystemen und der Raumfahrt ausgelegt werden könnten.
Warum extreme Kälte kubisch-raumzentrierte Kristalle blockiert
Kubisch-raumzentrierte Metalle wie Eisen, Wolfram und Chrom neigen dazu, bei sinkenden Temperaturen spröde zu werden, was eine anhaltende Herausforderung für metallurgische Innovation darstellt. Unter Raumbedingungen passen sich diese Materialien an mechanische Lasten durch die Bewegung winziger Gitterfehler an, sogenannter Versetzungen, wie in ScienceDaily erklärt wird. Atomschichten gleiten entlang dieser Defekte aneinander vorbei, verteilen die Kraft und verhindern, dass sich Brüche ausbreiten. Sinkt die Temperatur, wird die Versetzungsbewegung eingefroren. Da der Kristall sich um Bereiche hoher Spannung nicht verformen kann, breiten sich kleine Oberflächenfehler rasch zu vollständigen Strukturbrüchen aus.
„Was uns überrascht hat, ist, dass diese Legierungen selbst bei 20 Kelvin bemerkenswert schadenstolerant bleiben.“
— Professor Dong Liu, Department of Engineering Science, University of Oxford
Nanoskalige Zwillingsbildung erzeugt alternative Spannungspfade
Die beiden aus Niob und Titan bestehenden Testlegierungen vermieden dieses Versagensmuster bis hinunter zu 20 Kelvin, also -253 °C (-424 °F). Statt auf konventionelle Verformung zu setzen, lösen die Materialien einen als nanoskalige Zwillingsbildung bezeichneten Prozess aus, bei dem Mikrobereiche innerhalb des Kristalls einander spiegeln, so die University of Oxford. Diese Umordnung erfolgt zusammen mit einer lokalen Kristallphasenumwandlung. Wenn diese neu orientierten Kristallzonen mit benachbarten Korngrenzen zusammenstoßen, erzeugen sie lokale Spannungsspitzen, die ganz neue Versetzungen auslösen, sodass das Metall schwere mechanische Lasten aufnehmen kann, statt zu brechen.
Kryogene Metallurgie für Luft- und Raumfahrt sowie Energie neu denken
Die Studie verändert bestehende metallurgische Theorien, die die Tieftemperaturzähigkeit allein danach bemessen, wie sich vorhandene Defekte bewegen. Die Erzeugung neuer Versetzungen an Strukturgrenzflächen bietet einen neuen Mechanismus zur Erhaltung der Duktilität, wie der Oxford-Ingenieurwissenschaftler Dong Liu und der Erstautor David Cook in ScienceDaily beobachteten. Diese strukturelle Innovation liefert Ingenieuren Auslegungsparameter für Bauteile, die starken thermischen Schwankungen in der Luft- und Raumfahrttechnik, der Raumfahrt und kryogenen Treibstoffsystemen ausgesetzt sind, und könnte künftige Patentanmeldungen für Extremmaterialien anleiten.
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