Abstände zwischen den Nanotwins sorgen für stärkere Metalle.

Forscher der Brown University und des Institute of Metals Research an der Chinese Academy of Sciences haben einen neuen Weg gefunden, um nanotwins-tiny lineare Grenzen im Atomgitter eines Metalls mit identischen kristallinen Strukturen auf beiden Seiten zu nutzen – um stärkere Metalle herzustellen.

In einem Beitrag in der Zeitschrift Science zeigen die Forscher, dass die Variation des Abstands zwischen den Zwillingsgrenzen im Gegensatz zur Beibehaltung eines gleichmäßigen Abstands durchweg zu einer dramatischen Verbesserung der Festigkeit und der Kaltverfestigungsrate eines Metalls führt – inwieweit sich ein Metall bei Verformung verstärkt.

Huajian Gao, Professor an der Brown’s School of Engineering, der die Arbeit mit leitete, sagt, dass die Forschung auf neue Fertigungstechniken für Hochleistungswerkstoffe hinweisen könnte.

„Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem, was als Gradientenmaterial bekannt ist, d.h. einem Material, in dem es eine allmähliche Variation in seiner inneren Zusammensetzung gibt“, sagte Gao. „Gradientenmaterialien sind ein heißes Forschungsgebiet, da sie im Vergleich zu homogenen Materialien oft wünschenswerte Eigenschaften aufweisen. In diesem Fall wollten wir sehen, ob ein Gradient im Nanotwin-Abstand neue Eigenschaften hervorbringt.“

Gao und seine Kollegen haben bereits gezeigt, dass Nanotwins selbst die Materialleistung verbessern können. So hat sich beispielsweise nano-verzinntem Kupfer eine signifikante Festigkeit gegenüber Standardkupfer mit einer ungewöhnlich hohen Ermüdungsbeständigkeit gezeigt. Aber dies ist die erste Studie, die die Auswirkungen von variablen Nanotwin-Abständen testet.

Gao und seine Kollegen fertigten Kupferproben aus vier verschiedenen Komponenten mit jeweils unterschiedlichen Nanotwin-Grenzenabständen. Die Abstände reichen von 29 Nanometern zwischen den Grenzen bis zu 72 Nanometern. Die Kupferproben bestanden aus verschiedenen Kombinationen der vier Komponenten, die in unterschiedlicher Reihenfolge über die Dicke der Probe angeordnet waren. Die Forscher testeten dann die Festigkeit jeder Verbundprobe sowie die Festigkeit jeder der vier Komponenten.

Die Tests zeigten, dass alle Verbundwerkstoffe stärker waren als die durchschnittliche Festigkeit der vier Komponenten, aus denen sie hergestellt wurden. Bemerkenswert ist, dass eines der Verbundwerkstoffe tatsächlich stärker war als das stärkste seiner Bestandteile.

„Um eine Analogie zu geben, betrachten wir eine Kette als nur so stark wie ihr schwächstes Glied“, sagte Gao. „Aber hier haben wir eine Situation, in der unsere Kette tatsächlich stärker ist als ihr stärkstes Glied, was wirklich erstaunlich ist.“

Andere Tests zeigten, dass die Verbundwerkstoffe auch eine höhere Kaltverfestigung aufwiesen als der Durchschnitt ihrer Komponenten.

Um den Mechanismus dieser Leistungssteigerungen zu verstehen, verwendeten die Forscher Computersimulationen der Atomstruktur ihrer Proben unter Belastung. Auf atomarer Ebene reagieren Metalle auf Beanspruchung durch die Bewegung von Versetzungsliniendefekten in der kristallinen Struktur, wo Atome verdrängt werden. Die Art und Weise, wie diese Versetzungen wachsen und miteinander interagieren, bestimmt die Stärke eines Metalls.

Die Simulationen ergaben, dass die Dichte der Versetzungen im Gradientenkupfer viel höher ist als in einem normalen Metall.

„Wir haben eine einzigartige Art von Versetzung gefunden, die wir Bündel von konzentrierten Versetzungen nennen, die zu Versetzungen führen, die eine Größenordnung dichter als normal sind“, sagte Gao. „Diese Art der Versetzung tritt bei anderen Materialien nicht auf und deshalb ist dieses Gradientenkupfer so stark.“

Gao sagte, dass, während das Forschungsteam Kupfer für diese Studie verwendete, Nanotwins auch in anderen Metallen hergestellt werden können. So ist es möglich, dass Nanotwin-Gradienten die Eigenschaften anderer Metalle verbessern könnten.

„Wir hoffen, dass diese Ergebnisse die Menschen motivieren werden, mit Doppelgradienten in anderen Arten von Materialien zu experimentieren“, sagte Gao.

Mehr Informationen:
Zhao Cheng et al, Extra Verstärkung und Kaltverfestigung in gradienten nanotragenden Metallen, Science (2018). DOI: 10.1126/science.aau1925

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