Fester Stahl

Fehlstellen in Eisenkristall-Schichten sorgen durch verworrene Verzahnungen für Festigkeit.

Livermore (USA) - Muskelschmalz, Hammer und Amboss: Zu diesen Mitteln greifen Schmiede seit Jahrhunderten, um hochfeste und stabile Stahlklingen herzustellen. Fehlstellen im Material wirken dabei als winzige Haken, sodass die Eisenkristall-Schichten nicht mehr aneinander vorbei gleiten. Gingen Materialforscher bisher davon aus, dass sich diese immer paarweise wie in einem Reißverschluss zusammenschließen, entdeckten amerikanische Wissenschaftler 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 in der Zeitschrift „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. Beispielsweise 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“, sagt Bulatov. „Wir fanden heraus, dass die Festigkeit zunimmt, wenn drei Fehlstellen miteinander wechselwirken."

Ausgehend vom Metall Molybdän erkannte Bulatov, dass sich unter bestimmten Schmiedeprozessen die Fehlstellen nicht nur paarweise anordnen, sondern zu komplexeren Dreier- und Vielfachverzahnungen zusammen lagern. 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 10 bis 20 Billionen Fehlstellen pro Quadratmeter. Mit zunehmender Anzahl der Fehlstellen steigt – wie erwartet – die Festigkeit gegenüber der Spannungsbelastung.

Aufnahmen mit einem Transmissionselektronenmikroskop offenbarten die fadenförmigen Verzahnungen von mehr als zwei Fehlstellen zu komplexen, stabilisierenden Knäueln. Dreidimensionale Simulationen der Dynamik dieser Fehlstellen mit dem eigens entwickelten Programm ParaDiS (Parallel Dislocation Simulator) untermauerten die Ausbildung dieser filigranen Strukturen im Kristall. Neben klassischen Schmiedemethoden, bei denen mehrere Metalllagen immer wieder übereinander gefaltet und durch Druck zusammengefügt werden, führten Biegeprozesse zu einer verstärkten Ausbildung dieser Knäuelstrukturen. Mit diesen Kenntnissen ist es nun denkbar, entsprechende Härtungsverfahren auch auf andere Metalle und Stahlsorten zu übertragen, um höhere Festigkeiten zu erzielen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Vasily V. Bulatov et al., Dislocation multi-junctions and strain hardening, Nature 440, 1174 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature04658 
• Lawrence Livermore National Laboratory: 
  http://www.llnl.gov 
• Chemistry and Materials Science Directorate: 
  http://www-cms.llnl.gov 
• ParaDiS:
  http://www-cms.llnl.gov/s-t/paradis_str.html

Weitere Literatur:

• Orowan, E. Zur Kristallplastizität. Z. Phys. 89, 605–659 (1934). 
• Hirth, J. P. & Lothe, J. Theory of Dislocations 2nd edn, 269–270 (Wiley, New York, 1982). 
• Hähner, P. & Zaiser, M. Dislocation dynamics and work hardening of fractal dislocation cell structures. Mater. Sci. Eng. A 272, 443–454 (1999). 
• Abraham, F. F. et al. Simulating materials failure by using up to one billion atoms and the world’s fastest computer: Work hardening. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 5783–5787 (2002). 
• Bulatov, V. V. et al. Scalable line dynamics in ParaDiS. Supercomputing (2004).
  http://www.sc-conference.org/sc2004/schedule/pdfs/pap206.pdf