Die ersten Schmiede der Bronze- und Eisenzeit fanden heraus, dass Metall fester wurde, wenn sie es durch Biegen oder Hämmern verformten. Dieser Prozess, bekannt als Kaltverfestigung, wird auch heute noch häufig in der Metallurgie und Fertigung eingesetzt, um die Festigkeit von allem Möglichen zu erhöhen, von Autorahmen bis zu Oberleitungen. Materialwissenschaftler konnten diesen wichtigen Prozess bisher jedoch nie in Echtzeit beobachten.
Ein Wissenschaftlerteam der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hat zum ersten Mal die detaillierten Mechanismen beobachtet, die den grundlegenden Prozess der Kaltverfestigung antreiben.
Die am Harvard Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) durchgeführte Forschung bietet ein tieferes Verständnis der Materialfestigkeit, was weitreichende Auswirkungen auf Materialdesign und -herstellung haben könnte.
Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Journal Natur.
„Kaltverfestigung wird in vielen industriellen Verformungsprozessen eingesetzt“, sagte Frans Spaepen, John C. und Helen F. Franklin Professor für Angewandte Physik an der SEAS und leitender Autor der Studie. „Heute werden groß angelegte Computerprogramme verwendet, um Kaltverfestigung zu modellieren, aber wenn man diese Modelle so effektiv wie möglich machen will, müssen wir mehr über die zugrunde liegenden Gesetze wissen, die diesen Prozess steuern. Diese Arbeit gibt uns ein Echtzeitfenster in den universellen Prozess der Kaltverfestigung.“
Es war bisher unmöglich, die Kaltverfestigung von Metallen in Echtzeit zu beobachten, da die Atomstrukturen nur durch ein Elektronenmikroskop sichtbar sind. Forscher können die Struktur vor und nach der Verformung vergleichen, haben jedoch nur einen begrenzten Einblick in das, was während des Prozesses passiert. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass Unvollkommenheiten in der Struktur, sogenannte Versetzungen, ein Netzwerk von Defekten bilden, die die Kaltverfestigung verursachen.
„Was nicht klar war, ist die volle Komplexität der Wechselwirkungen zwischen den Defekten in diesen Atomkristallen, die zur Verhärtung führen“, sagte Ilya Svetlizky, ein ehemaliger SEAS-Postdoktorand am MRSEC und Co-Erstautor des Papiers.
Konfokale Bilder in der Mitte des kolloidalen Kristalls während der Scherung und gerenderte Bilder eines kolloidalen Kristalls mit lokalen Spannungen während der Scherung. Bildnachweis: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
Um diesen kritischen Teil des Prozesses zu verstehen, wandte sich das Forschungsteam kolloidalen Kristallen zu – Partikeln, die etwa 10.000 Mal größer als Atome sind und bei hohen Konzentrationen spontan eine Kristallstruktur bilden. Diese Kristalle werden verwendet, um atomare Systeme nachzuahmen, da sie die gleiche Struktur haben, die gleichen Phasenübergänge durchlaufen und die gleichen Arten von Defekten aufweisen. Kolloidale Kristalle sind jedoch sehr weich – sogar 100.000 Mal weicher als Wackelpudding.
Die Forscher züchteten diese kolloidalen Kristalle aus Millionen von Partikeln und beobachteten jedes einzelne Partikel mithilfe eines konfokalen optischen Mikroskops. Als sie diese Kristalle unter Spannung setzten, konnten sie die Bewegung jedes einzelnen Partikels messen.
Überraschenderweise erfahren diese kolloidalen Kristalle eine erhebliche Kaltverfestigung – sogar stärker als jedes andere Material. Tatsächlich werden diese ultraweichen Materialien viel fester als die meisten Metalle, wenn man den Unterschied in der Partikelgröße berücksichtigt.
„Wir haben nicht erwartet, dass harte kolloidale Kristalle kaltverfestigt werden können“, sagte Seongsoo Kim, ein von MRSEC geförderter Doktorand von Spaepen und Weitz und Co-Erstautor des Artikels. „Die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln sind im Vergleich zu normalen Metallen zu einfach. Tatsächlich haben wir festgestellt, dass diese weichen Materialien eine außergewöhnlich ausgeprägte Kaltverfestigung aufweisen, sogar mehr als die meisten Metalle wie Kupfer und Aluminium.“
Dies ist das erste Mal, dass Kaltverfestigung in kolloidalen Kristallen beobachtet wurde. Es zeigt, dass der Prozess in erster Linie von der Geometrie der Partikel und den Defekten bestimmt wird. Die Kristalle wurden aufgrund der Versetzungsdefekte, der Art und Weise, wie sie miteinander interagieren und sich verhaken, stärker.
Diese Beobachtungen enthüllen die universellen Mechanismen der Kaltverfestigung, die auch allgemeiner auf alle Materialien anwendbar sind, selbst auf solche, die nicht mit optischen Mikroskopen untersucht werden können. Diese weichen kolloidalen Kristalle weisen eine so außergewöhnlich große Kaltverfestigung auf, weil sie eine sehr hohe Dichte dieser Defekte aufweisen können.
„Diese Forschung verrät uns etwas Grundlegendes und Allgemeines darüber, wie Materialien fester werden. Das sind erstaunliche Materialien: Obwohl sie sehr weich sind, werden sie durch Kaltverfestigung zu den stärksten bekannten Materialien“, sagte David A. Weitz, Mallinckrodt-Professor für Physik und angewandte Physik und Mitautor der Abhandlung.
Weitere Informationen:
Seongsoo Kim et al, Kaltverfestigung in kolloidalen Kristallen, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07453-6