Das härteste Material der Welt

Unerwartete Phasentransformation verhindert Rissbildung und Rissausbreitung

Forschung
Publikationen und Studien
Metallurgie
Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory haben bei einer Metalllegierung aus Chrom, Kobalt und Nickel (CrCoNi) die höchste Zähigkeit gemessen, die jemals bei einem Material festgestellt wurde. Das Metall ist nicht nur extrem zäh und fest, sondern seine Materialeigenschaften verbessern sich bei abnehmenden Temperaturen. Das unterscheidet es von den meisten bekannten Materialien.

Das Team, das von Forschern des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) geleitet wird, veröffentlichte seine Ergebnisse in der Zeitschrift Science.

"Wenn man Konstruktionsmaterialien entwirft, möchte man, dass sie stark, aber auch dehnbar und bruchfest sind", sagte der Co-Leiter des Projekts, Easo George vom Lehrstuhl für fortgeschrittene Legierungstheorie und -entwicklung beim ORNL. "Normalerweise ist es ein Kompromiss zwischen diesen Eigenschaften. Aber dieses Material ist beides, und anstatt bei niedrigen Temperaturen spröde zu werden, wird es härter."

CrCoNi gehört zu einer Klasse von Metallen, die als Hochentropie-Legierungen (HEAs) bezeichnet werden. Diese bestehen aus einer gleichmäßigen Mischung der einzelnen Legierungsbestandteile. Diese ausgewogenen Atomrezepturen scheinen einigen dieser Werkstoffe eine außerordentlich hohe Festigkeit und Duktilität bei Belastung zu verleihen.

"Die Zähigkeit dieses Materials bei Temperaturen von flüssigem Helium (20 Kelvin) beträgt bis zu 500 MPa√m. Die Zähigkeit eines Stücks Silizium liegt bei 1 MPa√m, die von Aluminium in Passagierflugzeugen bei etwa 35 MPa√m und die von einigen der besten Stähle bei etwa 100 MPa√m. Der Wert 500 ist also eine erstaunliche Zahl", sagt Robert Ritchie, leitender Wissenschaftler in der Abteilung Materialwissenschaften des Berkeley Labs.

Viele feste Stoffe, darunter auch Metalle, liegen in einer Gitterstruktur vor. Die Festigkeit und Zähigkeit des Materials ergeben sich aus den physikalischen Eigenschaften des Gitters. Wenn auf das Material eine Kraft ausgeübt wird, resultiert aus Versetzungen in der Gitterstruktur eine Formänderung. Je leichter sich die Versetzungen bewegen können, desto weicher ist das Material. Wenn jedoch die Bewegung der Versetzungen durch Hindernisse in Form von Gitterunregelmäßigkeiten blockiert wird, ist das Material fester, aber in der Regel auch spröder und anfälliger für Risse.

Ritchie, George und ihre Kollegen untersuchten die Gitterstrukturen von CrCoNi-Proben, die bei Raumtemperatur und 20 K gebrochen waren. Bei der Messung von Festigkeit und Duktilität wird eine unbearbeitete Metallprobe gezogen, bis sie bricht, während bei Bruchzähigkeitsprüfungen vorher ein scharfer Riss in die Probe eingebracht und dann die Spannung gemessen wird, die erforderlich ist, um den Riss wachsen zu lassen.

Die Analysen zeigen, dass die Zähigkeit der CrCoNi-Proben auf eine Kombination von Versetzungshindernissen zurückzuführen ist, die in einer bestimmten Reihenfolge wirksam werden. Die bestimmte Abfolge atomarer Wechselwirkungen sorgt dafür, dass das Metall weiter fließt, aber auch immer wieder auf neuen Widerstand durch Hindernisse stößt, weit über den Punkt hinaus, an dem die meisten Materialien unter der Belastung brechen. "Während man also daran zieht, setzt der erste Mechanismus ein, dann der zweite, der dritte und der vierte", erklärt Ritchie.

Die neuen Erkenntnisse des Teams könnten dazu führen, dass etablierte Vorstellungen in den Materialwissenschaften überdacht werden müssen.

"Metallurgen sagen, dass die Struktur eines Materials seine Eigenschaften bestimmt, aber die Struktur von NiCoCr ist die einfachste, die man sich vorstellen kann - sie besteht nur aus Körnern", so Ritchie. "Wenn man es jedoch verformt, wird die Struktur sehr kompliziert. Diese Verschiebung trägt dazu bei, seine außergewöhnliche Bruchfestigkeit zu erklären", ergänzt Co-Autor Andrew Minor, Direktor des National Center of Electron Microscopy der Molecular Foundry am Berkeley Lab und Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen an der UC Berkeley.

Trotz der bemerkenswerten Erkenntnisse kann die praktische Anwendung noch in weiter Ferne liegen, erklärt Ritchie. "Wenn Sie in einem Flugzeug sitzen, würden Sie dann gerne hören, dass die Legierung, die Sie vor einem Absturz aus 40.000 Fuß Höhe bewahrt, erst vor ein paar Monaten entwickelt wurde? Oder möchten Sie nicht lieber, dass die Materialien ausgereift sind? Deshalb kann es bei Konstruktionswerkstoffen viele Jahre, ja sogar Jahrzehnte dauern, bis sie tatsächlich zum Einsatz kommen."

Mehr Informationen:

Dong Liu et al, Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin, Science (2022).
www.science.org/doi/10.1126/science.abp8070