So wie eine Seite einer Wippe aufsteigt, während die andere fällt, stehen im Bereich metallischer Werkstoffe „Festigkeit“ und „Dehnung“ normalerweise im Widerspruch zueinander. Ein Team von POSTECH und der Northwestern University hat jedoch kürzlich eine bahnbrechende Technologie vorgestellt, die beide Eigenschaften verbessert.
Ein Forschungsteam, bestehend aus Professor Hyoung Seop Kim vom Graduate Institute of Ferrous & Eco Materials Technology und der Abteilung für Materialwissenschaft und -technik, Professor Yoon–Uk Heo vom Graduate Institute of Ferrous & Eco Materials Technology und Doktorand Hyojin Park von der Abteilung für Materialwissenschaft und -technik am POSTECH, arbeitete mit Dr. Farahnaz Haftlang von der Abteilung für Materialwissenschaft und -technik der Northwestern University zusammen.
Gemeinsam haben sie sich mit einem seit langem bestehenden Problem der Metallforschung befasst: dem Kompromiss zwischen Festigkeit und Dehnung. Ihr Durchbruch besteht in der Entwicklung einer Legierung, die sowohl hohe Festigkeit als auch hohe Dehnung aufweist.
Die Studie ist veröffentlicht im Journal Naturkommunikation.
Die Streckgrenze ist die Mindestspannung, bei der sich ein Material wie Metall zu verformen beginnt. Um die Haltbarkeit und strukturelle Sicherheit eines Materials zu verbessern, muss seine Streckgrenze erhöht werden, normalerweise durch Verstärkung seiner Mikrostruktur mit „Niederschlägen“ – winzigen Partikeln, die in das Metall eingebettet sind. Bei diesem Prozess unterscheidet sich die Struktur des Niederschlags jedoch häufig von der des Grundmetalls, was zu einer Verringerung der Dehnung bei zunehmender Festigkeit führt. Dieser Kompromiss zwischen „Festigkeit“ und „Dehnung“ hat es traditionell schwierig gemacht, beide Eigenschaften gleichzeitig zu verbessern.
Das Team von POSTECH-Professor Hyoung Seop Kim hat einen neuen Ansatz zur Lösung dieses Problems vorgestellt, der als „spinodale Zersetzung“ bekannt ist. Bei diesem Prozess kommt es zur spontanen Trennung einer festen Lösung in zwei unterschiedliche Phasen, wodurch nanometergroße Strukturen mit regelmäßig angeordneten Atomen entstehen.
In dieser Studie wurden Kupfer (Cu) und Aluminium (Al) zu einer eisenbasierten Legierung mittlerer Entropie hinzugefügt, um eine periodische spinodale Zersetzung im Nanomaßstab auszulösen. Dieser Prozess führte zu einer spinodalen Verhärtung, einem Phänomen, das die Widerstandsfähigkeit gegen strukturelle Verformungen erhöht. Folglich steigert die resultierende Mikrostruktur die Festigkeit des Materials. Die resultierende Mikrostruktur mit ihren gleichmäßig angeordneten Merkmalen verteilt die Spannung effektiv im gesamten Material. Diese Verteilung trägt dazu bei, lokale Verformungen zu minimieren und so die Gesamtfestigkeit zu erhöhen, während die Dehnung erhalten bleibt.
Experimente zeigten, dass die mit der Methode des Teams hergestellten Legierungen im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen eine bessere strukturelle Integrität aufwiesen und eine Streckgrenze von 1,1 GPa (Gigapascal) erreichten. Dies entspricht einer Verbesserung von 187 % gegenüber der Legierung ohne spinodale Zersetzung. Bemerkenswerterweise behielt die Legierung selbst mit dieser erhöhten Streckgrenze nahezu die gleiche Dehnung (28,5 %) wie zuvor. Dieser Fortschritt ermöglicht sowohl eine verbesserte Festigkeit als auch Dehnung.
POSTECH-Professor Hyoung Seop Kim bemerkte: „Wir haben die mechanischen Eigenschaften spinodaler Strukturen in Legierungen mit komplexen Zusammensetzungen untersucht. Unsere Technologie für hochfeste, dehnbare Legierungen hat das Potenzial, Produkte in verschiedenen Branchen, darunter der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Energiesektor und der Elektronik, zu verbessern, indem sie sie leichter und langlebiger macht.“
Mehr Informationen:
Hyojin Park et al., Periodische spinodale Zersetzung in doppelt verstärkter Legierung mittlerer Entropie, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50078-6