Je kälter es wird, desto härter wird es! Um welches Material handelt es sich?

Prüfungsexperte: Luo Huiqian

Assoziierter Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Beharrlichkeit ist ein Wort, das wir seit unserer Kindheit hören. „Fest“ bedeutet stark und „zäh“ bedeutet flexibel. Sie stehen für Standhaftigkeit und Mut angesichts äußerer Herausforderungen wie Gefahr und Katastrophe. Gleichzeitig ist diese Eigenschaft in der Technik mit Festigkeit und Flexibilität, hoher Verformungsbeständigkeit und guter Bruchfestigkeit verbunden. Daher ist die Zähigkeit von Materialien ein wichtiger Indikator im Ingenieurbereich.

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Tatsächlich ist es jedoch schwierig, Festigkeit und Duktilität von Materialien miteinander zu vereinbaren. Im Prozess der Projektumsetzung sind häufig Zugeständnisse und Kompromisse erforderlich. Die optimale Lösung wird erst nach sorgfältiger Abwägung der Bedeutung beider und ihrer Anpassbarkeit an das Projekt gefunden. Doch erst kürzlich entdeckten Wissenschaftler einen neuen Materialtyp und maßen die höchste Zähigkeit aller Zeiten . Schauen wir uns als nächstes an, um welches Material es sich handelt.

Das härteste Material

In einem kürzlich im international anerkannten Fachmagazin „Science“ veröffentlichten Artikel britischer und amerikanischer Wissenschaftler heißt es, dass sie bei der Untersuchung von CrCoNi (Chrom-Kobalt-Nickel-Legierung), einer Legierung aus den drei Metallen Chrom, Kobalt und Nickel, die bislang höchste Zähigkeit gemessen hätten. Und da der Test in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen durchgeführt wurde, ist davon auszugehen, dass das Material in Bereichen mit niedrigen Temperaturen (wie etwa der Luft- und Raumfahrt) eine wichtige Rolle spielen wird.

Quelle: science.org

Bei diesem Experiment wurden Spitzentechnologien wie die Transmissionselektronenmikroskopie eingesetzt, um die anfängliche Bruchzähigkeit der Legierung CrCoNi und einer anderen Mangan- und Eisenlegierung, CrMnFeCoNi, bei einer niedrigen Temperatur von 20 Calvin (d. h. -253,15 °C) zu testen. Die CrCoNi-Legierung zeigte eine Zähigkeit von bis zu 495 MPa·m^1/2 (Megapascal mal Quadratwurzel von Metern). Als der Bruchdurchmesser auf 2,25 mm zunahm, erhöhte sich die Zähigkeit auf 540 MPa·m^1/2, was darauf hindeutet, dass die für den Bruch dieses Materials erforderliche Energie sehr hoch ist.

Mikroskopbild, das den Bruchverlauf und die damit einhergehende Verformung der Kristallstruktur in einer CrCoNi-Legierung im Nanomaßstab während eines Spannungstests bei 20 Kelvin zeigt.

Quelle: Robert Ritchie/Berkeley Lab

Die Daten allein vermitteln Ihnen möglicherweise keine klare Vorstellung. Lassen Sie uns daher zum Vergleich einige Beispiele aus dem Leben suchen. Die Zähigkeit von Silizium beträgt nur 1 MPa·m^1/2; die Zähigkeit von Aluminium, das für Flugzeugrümpfe verwendet wird, beträgt 35 MPa·m^1/2; und die Zähigkeit einiger der leistungsstärksten Stähle liegt bei etwa 100 MPa·m^1/2, was nur einem Fünftel der Zähigkeit dieser Legierung entspricht.

Kohlenstoffstahl mit hoher Zähigkeit

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Generell gilt: Je höher die Festigkeit eines Materials, desto geringer ist seine Zähigkeit, und harte Materialien sind im Allgemeinen spröde. Diamant ist beispielsweise einer der härtesten Stoffe, die derzeit erhältlich sind. Es fällt uns schwer, Spuren auf Diamanten zu hinterlassen, aber wir können sie zerkleinern. Das Ungewöhnliche an der CrCoNi-Legierung ist jedoch, dass sie keinen Kompromiss zwischen beiden erfordert. Je größer seine Stärke, desto größer seine Zähigkeit.

Gleichzeitig weist es eine weitere einzigartige Eigenschaft auf, nämlich die Auswirkung der Temperatur auf das Material. Generell gilt: Wenn die Temperatur eines Materials sinkt, verringert sich seine Zähigkeit, wodurch es spröder wird und seine Bruchfestigkeit nachlässt. Wenn jedoch die Temperatur des CrCoNi-Legierungsmaterials sinkt, nehmen Härte und Duktilität eher zu als ab.

Diese Eigenschaften machen es vielversprechend für den Einsatz in kryogenen, kalten Umgebungen, wie beispielsweise in Raumfahrzeugen im Weltraum. Diese Legierung verfügt in diesen Bereichen über ein unbegrenztes Potenzial, die derzeitigen Produktionskosten dieses Materials sind jedoch sehr hoch und es kann derzeit nicht gefördert werden.

Gitter – die Quelle von Stärke und Zähigkeit

Wenn Sie verstehen möchten, warum diese Legierung eine so hohe Festigkeit und Zähigkeit aufweist, müssen Sie zunächst ein Konzept namens „Kristall“ verstehen. Es bezieht sich auf eine Struktur, die aus einer großen Anzahl mikroskopischer Partikel (wie Atomen, Ionen, Molekülen usw.) besteht, die nach bestimmten Regeln angeordnet sind. Aufgrund der Unterschiede in ihren Strukturpartikeln und Kräften werden sie in vier Typen unterteilt: Atomkristalle, Molekülkristalle, Ionenkristalle und Metallkristalle .

Grüne Fluoritkristalle

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Um die Anordnungsmuster mikroskopischer Partikel in verschiedenen Kristallen anschaulich darzustellen, können wir Atome als Punkte betrachten und diese Punkte dann mit Linien verbinden, um ein regelmäßiges Raumgitter zu bilden, das Gitter .

Kristallstruktur von Natriumoxid

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Ausschlaggebend für die Festigkeit und Zähigkeit eines Werkstoffes ist oft sein Kristallgitter . Wir haben oben vier Arten von Kristallen erwähnt. Sie haben unterschiedliche physikalische Eigenschaften, die eng mit ihren Kristallgittern zusammenhängen. Beispielsweise weisen Metallkristalle eine gute Duktilität und mechanische Festigkeit auf, die eng mit ihrem Gitter zusammenhängt. Solche Gitter bestehen aus Metallionen und freien Elektronen. Zwischen Metallionen und freien Elektronen bestehen starke metallische Bindungen. Die Metallbindungen sind ungerichtet und ungesättigt, was eine dichte Stapelung der Metallgitter ermöglicht. Daher ist die Härte von Metallen im Allgemeinen relativ hoch. Je stärker die Metallbindung, desto höher die Härte.

Wenn ein Metall einer äußeren Kraft ausgesetzt wird, verschieben sich die Schichten der Kristalle, die Anordnung bleibt jedoch unverändert. Zu diesem Zeitpunkt können die sich frei im Kristall bewegenden Elektronen als Schmiermittel wirken, sodass diese Wechselwirkung aufrechterhalten werden kann und Metalle im Allgemeinen eine gute Duktilität aufweisen . Wenn beispielsweise eine CrCoNi-Legierung verformt wird, ändert sich ihre Struktur, was zu einer erstaunlichen Bruchfestigkeit führt.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen Brüche in CrCoNi bei 293 K und 20 K

Quelle: Robert Ritchie/Berkeley Lab

Die Härte hängt oft mit der räumlichen Struktur des Gitters und der Bindungsenergie zwischen den Elementen zusammen, aus denen das Gitter besteht . Beispielsweise bestehen sowohl Graphit als auch Diamant aus Kohlenstoffatomen, die Härte von Graphit ist jedoch wesentlich geringer als die von Diamant. Wir können sehen, dass die Kohlenstoffatome im Diamanten in drei Dimensionen relativ eng angeordnet sind. Die Anordnung des Graphits ist lediglich eine Schichtstruktur. Es weist auf einer zweidimensionalen Ebene eine relativ hohe Festigkeit auf, ist jedoch in der dritten Dimension sehr zerbrechlich.

Diamantgitter

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Die Schichtstruktur des Graphits wird durch intermolekulare Kräfte zusammengehalten, deren Stärke weitaus geringer ist als die der kovalenten Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen im Diamanten. Wenn ein Material also stark sein soll, muss es in jeder Richtung eine große Härte aufweisen. Es darf nicht „voreingenommen“ sein, sondern muss ein „Alleskönner“ sein.

Graphitgitter

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Mit fortschreitender Forschung erwarten wir außerdem, dass dieses robuste neue Material, die CrCoNi-Legierung, den Menschen in Zukunft dabei helfen wird, bei ihrer Reise zur Erforschung der Sterne und der Meere noch weiter vorzudringen.