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−253 °C: Metalllegierungen bleiben trotz extremer Kälte zäh
Tiefkälte ohne plötzlichen Sprödbruch: Zwei Niob-Legierungen bleiben selbst bei minus 253 Grad Celsius überraschend widerstandsfähig gegen das Wachstum von Rissen. Die Ursache ist eine ungewöhnliche Abfolge von Veränderungen im Kristallgitter, wie Laborversuche zeigen. Der Mechanismus könnte helfen, metallische Bauteile für sehr kalte Umgebungen zuverlässiger zu machen.
Oxford (England). Extreme Kälte macht vielen metallischen Werkstoffen zu schaffen. Zwar steigt beim Abkühlen häufig ihre Festigkeit, zugleich können sie aber die Fähigkeit verlieren, sich unter Belastung zu verformen. Statt die Spannung an einer Rissspitze abzubauen, bricht das Material dann plötzlich.
Besonders betroffen sind Metalle mit einem kubisch-raumzentrierten Kristallgitter, zu denen beispielsweise Eisen und Wolfram gehören. In ihnen hängt die Verformbarkeit wesentlich von Versetzungen ab, also linienförmigen Unregelmäßigkeiten im Atomgitter. Bei tiefen Temperaturen können sich solche Gitterfehler nur noch schwer bewegen, was spröde Brüche begünstigt.
Doch ist dieser Übergang unvermeidlich? Forscher der University of Oxford um Prof. Dong Liu haben mit internationalen Kollegen zwei Niob-Legierungen auf ihre Widerstandsfähigkeit bei extremen Temperaturen untersucht. Die eine enthielt Niob und Titan im Atomverhältnis 70 zu 30. Die andere bestand aus Niob, Tantal, Titan und Hafnium und sollte zugleich hohe Festigkeit und Verformbarkeit ermöglichen.
Dafür kühlten die Wissenschaftler Proben auf 20 Kelvin ab, entsprechend etwa minus 253 Grad Celsius. Anschließend testeten sie sowohl deren Verhalten unter Zugbelastung als auch den Widerstand gegen das Wachstum künstlich eingebrachter Risse. Neutronenmessungen, Elektronenmikroskopie, Atomsondenanalysen und Modellrechnungen sollten den ungewöhnlichen Befund auf atomarer Ebene erklären.
Die Ergebnisse: In keiner der beiden Legierungen ließ sich bis zur tiefsten untersuchten Temperatur ein abrupter Übergang zum spröden Bruch nachweisen. Statt weiter stark anzusteigen, blieb die Spannung, ab der sich die vierkomponentige Legierung dauerhaft verformt, zwischen 77 und 20 Kelvin fast unverändert. Sie betrug rund 937 beziehungsweise 939 Megapascal.
Auch die Bruchzähigkeit blieb hoch. Für die Niob-Titan-Legierung ermittelten die Forscher bei 20 Kelvin einen Widerstand gegen den Beginn des Risswachstums von rund 170 Megapascal mal Wurzel Meter. Bei 77 Kelvin waren es etwa 188, es gab also einen Rückgang, aber keinen plötzlichen Zusammenbruch dieser Eigenschaft. Bei der vierkomponentigen Legierung betrug der Wert bei 20 Kelvin rund 96,5 Megapascal mal Wurzel Meter.
Die Forscher fanden die Erklärung in einer Umkehr der üblichen Abläufe. Normalerweise wandern zunächst bereits vorhandene Versetzungen durch das Metall. In den untersuchten Legierungen entstanden bei sehr tiefen Temperaturen dagegen zuerst winzige Kristallzwillinge, deren Atome spiegelbildlich angeordnet sind, zusammen mit Bereichen einer veränderten, sogenannten Omega-Phase.
Treffen diese Strukturen auf die Grenzen zwischen Kristallkörnern, steigt dort die lokale Spannung. Die Forscher beobachteten, dass an solchen Grenzflächen neue Versetzungen entstehen und anschließend in das angrenzende Gitter wandern können. Dadurch verteilt sich die Verformung, statt dass ein vorhandener Riss unmittelbar durch den Werkstoff läuft.
„Seit Jahrzehnten gilt der Übergang von zähem zu sprödem Verhalten als grundlegende Einschränkung kubisch-raumzentrierter Metalle. Uns hat überrascht, dass diese Legierungen selbst bei 20 Kelvin bemerkenswert widerstandsfähig gegen Schäden bleiben. Indem wir aufgeklärt haben, wie Zwillingsbildung und Phasenumwandlung zusammenwirken und plastische Verformung ermöglichen, bevor sich herkömmliche Versetzungen bewegen, haben wir einen neuen Weg aufgezeigt, um tragende kubisch-raumzentrierte Metalle für extrem kalte Umgebungen zu entwickeln. Diese Werkstoffklasse wird für Bauteile äußerst nützlich sein, die innerhalb einer Anwendung sowohl