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Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Technik - Stahl ist jetzt noch fester



Cobra
22.06.2006, 00:37
kGezielte Verunreinigungen und winzige kristalline Knäuel erhöhen die mechanische Stabilität der LegierungLivermore - Muskelkraft, Hammer und Amboß: Zu diesen Mitteln greifen Schmiede seit Jahrhunderten, um hochfeste und stabile Stahlklingen herzustellen. Fehlstellen im Material wirken dabei als winzige Widerhaken, so daß die Eisenkristallschichten nicht mehr aneinander vorbeigleiten.
Gingen Materialforscher bisher davon aus, daß sich diese immer paarweise wie in einem Reißverschluß zusammenschließen, entdeckten amerikanische Forscher nun weit verworrenere Verzahnungen. Mit Computersimulationen und dem Blick durch ein hochauflösendes Elektronenmikroskop gingen sie dem kristallinen Aufbau auf den Grund. Ihre Ergebnisse, die zu neuen, hochfesten Legierungen führen könnten, präsentieren sie im Fachjournal "Nature".

"Auf mikroskopischer Ebene beruht die Festigkeit von kristallinen Materialien auf der Bewegung und der Anzahl von Fehlstellen und der Wechselwirkung zwischen ihnen", erklären Vasily V. Bulatov und seine Kollegen vom Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien. Bei Stählen sollen diese gezielten Verunreinigungen das Material zwar fest, aber gleichzeitig nicht spröde machen. Mit diesen duktilen Eigenschaften ausgestattet, federn schlanke Klingen nach einer Belastung wieder in ihre ursprüngliche Ausrichtung zurück, ohne zu verbiegen. Dafür, daß sich die einzelnen Kristallschichten im Stahl nicht dauerhaft gegeneinander verschieben, sorgen die Fehlstellen. Sie verhaken ineinander. "Wenn man Metall schlägt, vermehren sich die Fehlstellen wie verrückt", so Bulatov. "Wir fanden heraus, daß die Festigkeit jedesmal zunimmt, wenn drei Fehlstellen wechselwirken."


Ausgehend vom Metall Molybdän, erkannte Bulatov, daß sich unter bestimmten Schmiedeprozessen die Fehlstellen nicht nur paarweise anordnen, sondern zu komplexeren Dreier- und Vielfachverzahnungen zusammenlagern. Dadurch könne die gewünschte Festigkeit noch weiter erhöht und ein dauerhaftes Verbiegen effizient verhindert werden. Für ihre Messungen übten die Forscher eine Zugbelastung von bis zu 200 Megapascal aus. Die Dichte der Fehlstellen variierte bei den Proben um etwa zehn bis 20 Billionen Fehlstellen pro Quadratmeter. Mit zunehmender Anzahl der Fehlstellen steigt - wie erwartet - die Festigkeit gegenüber Spannungen.


Aufnahmen mit einem Elektronenmikroskop offenbarten die fadenförmigen Verzahnungen von mehr als zwei Fehlstellen zu komplexen, stabilisierenden Knäueln. Die Ausbildung dieser filigranen Strukturen im Kristall wurde durch Simulationen der Dynamik mit dem eigens entwickelten Programm ParaDiS untermauert. Für diese Berechnungen steht den Forschern mit dem BlueGene einer der leistungsstärksten Supercomputer weltweit zur Verfügung. Neben klassischen Schmiedemethoden, bei denen mehrere Metall-Lagen immer wieder übereinandergefaltet und durch Druck zusammengefügt werden, führten Biegeprozesse zu einer verstärkten Ausbildung der Knäuelstrukturen. Denkbar ist nun, entsprechende Härtungsverfahren auch auf andere Metalle und Stahlsorten zu übertragen, um höhere Festigkeiten zu erzielen.