Manchmal können bei der Herstellung einer Legierung aus mehreren Metallen Defekte und strukturelle Instabilitäten im Material auftreten. Jetzt machen sich Forscher an der Swanson School of Engineering der University of Pittsburgh diese Unvollkommenheiten zunutze, um das Material stärker zu machen und gleichzeitig seine Flexibilität zu bewahren.
Die Forscher entwickeln metastabile Legierungen, die den bekannten Kompromiss zwischen Festigkeit und Duktilität überwinden können, und zeigen eine Strategie auf, mit der Legierungen geschaffen werden können, die für eine breite Palette von Anwendungen geeignet sind.
„Unsere Arbeit zeigt, wie wir absichtliche Fehler in eine Legierung einbauen können, um sie stärker zu machen, während die Duktilität oder Flexibilität des Materials erhalten bleibt“, sagte Wei Xiong, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Materialwissenschaften, dessen physikalische Metallurgie und Materialdesign Labor leitete die Studie. „Die von uns entwickelten Techniken können verwendet werden, um Materialien für den Bau von Erdbeben, Marineschiffen, Luft- und Raumfahrt, Kernenergie oder sogar für den Transport von Öl oder Wasserstoff geeignet zu machen – alles Anwendungen, bei denen ein starkes, aber flexibles Material entscheidend ist.“
Diese Studie befasst sich mit zwei Mechanismen für das Metastabilitäts-Engineering, die zur Herstellung starker, duktiler Legierungen verwendet werden können: Transformations-induzierte Plastizität (TRIP) und Zwillings-induzierte Plastizität (TWIP). TRIP und TWIP nutzen unter Druck auftretende Veränderungen in der Mikrostruktur, die einige Defekte im Material verursachen, um gezielte Defekte zu bilden, die die Festigkeit verbessern.
„Sie können sich die Stärke und Duktilität eines Materials wie Kunststoff im Vergleich zu Glas vorstellen. Kunststoff ist viel duktiler und flexibler: Es ist nicht so stark, aber Sie können es mit Ihren Händen biegen“, erklärte Xiong. „Glas ist stärker als Kunststoff, aber es ist auch viel weniger flexibel und bricht, wenn Sie versuchen, es zu biegen. Das ist der Kompromiss, den wir mit Legierungen zu überwinden versuchen – etwas, das sowohl Festigkeit als auch Duktilität aufweist.“
Zur Durchführung ihrer Studie arbeitete Xiong mit dem Hauptautor Xin Wang, einem Doktoranden im Labor für physikalische Metallurgie und Materialdesign, sowie mit Forschern des Illinois Institute of Technology und der Northwestern University zusammen.
Die CALPHAD-Modellierung, unterstützt durch Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen des Teams, liefert grundlegendes Wissen, das auf die Entwicklung metastabiler Legierungen mit TRIP/TWIP für eine verbesserte Synergie zwischen Festigkeit und Duktilität angewendet werden kann. Es kann auch auf konzentrierte Legierungen wie Stahl und Nickel angewendet werden.
„Wir wollen die instabile Mikrostruktur verstehen, damit wir die Instabilität vorhersagen können, und dann können wir die Defekte nutzen, um die Festigkeit und Dehnung weiter zu erhöhen“, sagte Wang. „Das resultierende Material ist dann selbstverstärkend – verformt es, und es wird tatsächlich stärker.“
Das Papier erschien in Wissenschaftliche Fortschritte.
Xin Wang et al, Entwerfen von Metastabilität in Hochentropielegierungen durch Maßschneidern instabiler Fehlerenergien, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo7333