29/09/2011 - Forscher entdecken den Grund für die Zerbrechlichkeit der Metalle unter bestimmten Bedingungen

Menéame

US-Ingenieure und Forscher an der Universität Lehigh haben zum ersten Mal Atomaufnahmen von dem Prozess der Fluidmetall-Fragilisation (LME) erhalten, mit dem die Zerbrechlichkeit des festen Metalls unter bestimmten Umständen erklärt wird. Dieses Phänomen, das die Metallurgen seit einem Jahrhundert verwirrt hat, könnte nun durch die Stärkung verschiedener chemischer Verbindungen eine Lösung finden. Auf Pablo Javier Piacente.

Die genaue Kenntnis der Bedingungen, die unter bestimmten Bedingungen eine plötzliche Zerbrechlichkeit des festen Metalls hervorrufen, wenn es sich um ein Material handelt, das auf alle Arten von Belastungen vorbereitet ist, könnte die Entwicklung neuer chemischer Verbindungen fördern, mit denen dieses Problem überwunden werden kann. Dies wird durch eine Forschung bestimmt, die von Ingenieuren der Universität Lehigh in den Vereinigten Staaten entwickelt wurde.

Die nächste Frage war eine Besessenheit für die Metallindustrie in den letzten 100 Jahren: Warum wird ein festes Metall, das für seine maximale Dehnbarkeit und für alle Arten von Druck ausgelegt ist, ungeahnt zerbrechlich, mit dramatischen Folgen für die Strukturen, in denen es eingesetzt wurde?

Alles ist auf das Vorhandensein bestimmter Verunreinigungen des flüssigen Metalls zurückzuführen, die ein Phänomen bestimmen, das als flüssiges Metall oder LME Fragilisation bekannt ist. Die Versuche, dieses Verfahren besser zu verstehen, haben jedoch erhebliche Schwierigkeiten mit seiner Anwendung gehabt.

Die hohen Temperaturen, bei denen die Tests durchgeführt werden müssen, insbesondere bei Metallen von großer industrieller Bedeutung wie Zink oder Blei, führen zu komplizierten Verfahren. Eine neue Arbeit von Ingenieuren an der Universität Lehigh scheint jedoch einen wichtigen Fortschritt in dieser Frage erzielt zu haben.

Direkte Feststellung des Problems

Laut Martin Harmer, Professor für Werkstoff- und Ingenieurwissenschaften in Lehigh, hat die unter seiner Leitung stehende Forschungsgruppe zum ersten Mal die direkte atomare Beobachtung eines in der Übergangsphase befindlichen Metallsystems erreicht, das während des Prozesses der Fragilisierung durch flüssiges Metall stattfindet.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Verstärkung der chemischen Verbindungen zwischen den vorhandenen Materialien zu einer praktischen Lösung dieses Problems führen könnte, das sich stark auf die Industrie auswirkt.

Die Arbeit wurde in einer Pressemitteilung der Universität Lehigh und in zwei Artikeln der Fachzeitschrift Science veröffentlicht: "The Role of a Bilayer Interfacial Phase on Liquid Metal Embrittlement" und "The Phase Behavior of Interfaces."

Nach Ansicht der Experten bietet dieser Fortschritt ein klareres Verständnis der atomaren Mechanismen, die an der Fragilisation durch flüssiges Metall beteiligt sind, und eröffnet den Weg zur Optimierung der Kontroll- und Anpassungsfähigkeit von Metallen und anderen Materialien während ihrer Herstellung.

Die Forschung wurde in einer ersten Phase für 18 Monate, mit der Finanzierung der US-Marine. Die Gruppe von Ingenieuren und Spezialisten wird ihre Arbeit fortsetzen, um die Lösung für die verschiedenen Metallprobleme aus der LME zu finden, mit einem Zuschuss in Höhe von 7,5 Millionen Dollar über die Multidisciplinary University Research Initiative (MURI).

Ein Weg zur Lösung

Neben den Forschern von Lehigh werden Experten der Universitäten Carnegie-Mellon, Clemson, Illinois und Kutztown an dieser zweiten Phase des Projekts teilnehmen. Die erste Arbeit der Harmer-Gruppe konzentrierte sich auf die Beziehung zwischen Bismut und Nickel.

Es gibt eine sehr starke Verbindung zwischen Bismut und Nickel, aber was noch nie klar war, ist der Grund, warum diese so starke Legierung anfällig für Fragilisierung ist. Die Beobachtung ergab jedoch, dass die Verbindungen zwischen Bismutatomen schwach sind, und genau das war der Beginn des Phänomens, das die Zerbrechlichkeit hervorbringt.

Die gewonnenen Bilder, die die 3-D-Natur der Beziehung zwischen Nickel und Bismut darstellen, ließen erkennen, daß in der doppelten Schicht von Bismutatomen die ursprüngliche Quelle der atomaren Schwäche der Legierung gefunden wird. Harmer zufolge ist die Bindung in dieser Schicht so schwach, dass sie die weitere Zerbrechlichkeit der Legierung beeinflusst.

Um diesen Nachteil zu beheben, plant die Gruppe, verschiedene chemische Verbindungen zu entwickeln, die zu einem duktileren und zuverlässigeren Verhalten führen. Beispielsweise könnte die Kombination von Bismut mit anderen Elementen die Wirksamkeit der Legierung erheblich erhöhen.

Quellen: Trends in der Ingenieurwesen  / Universität Lehigh

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