Wie Gummimetalle funktionieren

Spezielle Metalle lassen sich gummiartig verbiegen und eröffnen damit den Weg für neue indus­tri­elle Anwen­dungen zum Beispiel in der Luft­fahrt. Doch war der Mecha­nismus hinter diesem einzig­artigen Ver­halten von Gummi­metallen bisher unge­klärt. Wissen­schaftler vom MPI für Eisen­forschung in Düssel­dorf haben einen neuen Phasen­über­gang in einer Titan­legie­rung beob­achtet, der das Ver­halten erklären könnte.

Die Forscher untersuchten mittels Röntgenlicht die innere Struktur einer Legie­rung aus Titan, Niob, Tantal und Zirco­nium. Diese Titan­legie­rung zeigt bei mecha­nischen Belas­tungen ein interes­santes Ver­halten: „Bei Verfor­mung wird sie nicht, wie sonst bei Metallen üblich, härter oder bricht, sondern verbiegt sich fast schon honig­artig. Sie hat eine sehr niedrige elas­tische Stei­fig­keit und eine hohe plast­ische Form­bark­eit“, erklärt Dierk Raabe, Direktor am MPIE.

Titanlegierungen kommen normalerweise in zwei verschiedenen Phasen vor. Bei Raum­tempe­ratur sind die Atome meist in der Alpha-Phase ange­ordnet, bei hohen Tempe­ra­turen in der Beta-Phase. Je nach Phase zeigen die Metalle unter­schied­liche Eigen­schaften. Die Gummi­metalle bestehen vor allem aus der Beta-Phase, die in diesen Legie­rungen auch bei Raum­tempe­ratur stabil ist. Mittels Röntgen­strahlung im Teilchen­beschleu­niger DESY konnten die Wissen­schaftler die Kristall­struktur der Legie­rung während des Über­gangs genau unter­suchen.

Die Forscher konnten so einen neuen Mechanismus beim Phasenübergang nachweisen. Das Team hat eine neue Struktur beobachtet, die bei der Trans­forma­tion von Beta- zu Alpha-Phase entsteht: die Omega-Phase. Wenn die Beta-Phase von einer hohen Tempe­ratur schnell abge­kühlt wird, ändert ein Teil der Atome die Posi­tion und geht in die ener­ge­tisch güns­tigere Alpha-Phase über. Durch die Bewe­gung der Atome entsteht eine mecha­nische Spannung an der Phasen­grenze, die verschie­denen Phasen zerren sozu­sagen anein­ander. Wenn diese Span­nung einen kri­tischen Wert über­steigt, entsteht eine neue Anord­nung, die Omega-Phase. „Diese neu ent­deckte Struktur entsteht nur durch die Scher­span­nung, die beim Phasen­über­gang auf­ge­baut wird, und erleich­tert die Umwand­lung von Alpha- zu Beta-Phase. Sie kann nur zwischen zwei anderen Phasen bestehen, da sie durch diese stabi­li­siert wird“, berichtet Raabe.

Wenn die Spannung durch die neue Schicht wieder unter den kritischen Wert fällt, entsteht aufs Neue eine Schicht Alpha-Phase, an die sich dann wieder eine Omega-Phase anschließt. So entsteht eine Mikro­struktur aus vielen, zum Teil atomar schmalen Schichten mit jeweils anderer Struktur. Der Über­gang findet auch bei statischen Belas­tungen statt und ist voll­ständig um­kehr­bar. Die Forscher hoffen jetzt, dass die neu ent­deckte Struktur dabei helfen könnte, die Eigen­schaften des Werk­stoffs noch genauer zu ver­stehen und später neue, verbes­serte Vari­anten der Titan­legie­rung zu ent­wickeln.

MPIE / RK