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May 25, 2023

Wenn Materialien härter werden, machen sich Wissenschaftler an die Arbeit

Belastbar – das ist eine nützliche Eigenschaft sowohl der Menschen, denen Sie vertrauen, als auch der Materialien, auf die Sie sich verlassen. Sie möchten, dass Strukturen wie Brücken oder Materialien in Flugzeugen sowohl stark als auch unwahrscheinlich sind

Belastbar – das ist eine nützliche Eigenschaft sowohl der Menschen, denen Sie vertrauen, als auch der Materialien, auf die Sie sich verlassen. Sie möchten, dass Strukturen wie Brücken oder Materialien in Flugzeugen sowohl stabil sind als auch unwahrscheinlich sind, dass sie reißen.

Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory und des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums haben das härteste Material gemessen, das jemals gemessen wurde – eine Metalllegierung aus Chrom, Kobalt und Nickel. In der Messung, die Wissenschaftler zur Messung der Zähigkeit verwenden, liegen die in Flugzeugen verwendeten Rahmen bei 35 und die besten Stähle bei etwa 100. Im Gegensatz dazu lag dieses Material bei 500! Außerdem wird das Material mit zunehmender Kälte härter, was sehr ungewöhnlich ist.

Zähigkeit in Materialien ist eine Kombination aus Festigkeit und Duktilität eines Materials sowie der Fähigkeit, sich als Reaktion auf Belastung zu biegen oder zu dehnen. Bei fast allen Materialien sind Festigkeit und Duktilität ein Kompromiss. Wenn man mehr von dem einen hat, hat man weniger vom anderen. Das liegt daran, dass Metalle Kristalle sind. Sie bestehen aus einzelnen Einheiten, die sich immer wieder wiederholen. Diese Einheiten bilden ein dreidimensionales Gitter, ähnlich einem Zauberwürfel. Die Eigenschaften Festigkeit und Duktilität hängen von den Eigenschaften des Gitters ab.

Aber es gibt immer kleine Orte, an denen die einzelnen Einheiten nicht ganz gleich sind. Physiker nennen diese Unvollkommenheiten Defekte. Sie befinden sich häufig an den Grenzen, an denen sich Einheiten treffen. Eine häufige Art von Defekt wird als Luxation bezeichnet. Hier trifft ein unvollkommener Teil des Gitters auf einen perfekten Teil. Wenn Sie auf ein Material Kraft ausüben, verschieben sich die Versetzungen und das Material biegt sich. Je leichter sich die Versetzungen bewegen, desto duktiler ist das Material. Im Gegensatz dazu ist ein Material dann stark, wenn es Blockaden gibt, die die Bewegung dieser Versetzungen verhindern. Zum Biegen ist mehr Kraft erforderlich. Allerdings wird es dadurch auch spröder und anfälliger für Risse.

Diese Legierung ist ungewöhnlich, da Festigkeit und Duktilität keine Kompromisse darstellen, sondern beides im Überfluss vorhanden ist. Ein Teil seiner Einzigartigkeit beruht auf der Tatsache, dass es sich um eine Legierung mit hoher Entropie handelt. Legierungen sind Metallmischungen. Sie haben Eigenschaften aus den verschiedenen Elementen in der Mischung. Die meisten Legierungen bestehen größtenteils aus einem Element, dem eine kleine Menge eines anderen hinzugefügt wird. Aber Legierungen mit hoher Entropie enthalten eine gleichmäßige Mischung aller Elemente. Das verleiht ihnen eine sehr hohe Festigkeit und Duktilität unter Belastung. Selbst innerhalb dieser Gruppe ist diese besondere Legierung einzigartig. Es verfügt über drei verschiedene Versetzungshindernisse, die ihm einen einzigartigen Eigenschaftsmix verleihen.

Während Materialwissenschaftler vor 20 Jahren hochentropische Legierungen entwickelten, verfügen wir erst seit Kurzem über die Technologie, um genau zu testen, wie gut sie sind. Vor fast einem Jahrzehnt haben Wissenschaftler des Berkeley Lab dieses Material auf -321 F heruntergefahren. Sie wollten es zwar bei niedrigeren Temperaturen testen, aber die Technologie war einfach nicht verfügbar. Letztes Jahr testete das Team es bei der Temperatur von flüssigem Helium – das sind -424 F! Darüber hinaus konnten sie mithilfe neuer Mikroskoptechnik die verschiedenen Kristalle und Defekte bis in die Breite von nur wenigen Atomen untersuchen.

Dieses Material wird in absehbarer Zeit nicht mehr in Anwendungen zum Einsatz kommen. Es dauert lange, Materialien zu verfeinern und zu testen, bevor sie in Flugzeugen oder Brücken eingesetzt werden. Aber das Messen und Verstehen dieses Materials bringt uns seinem Einsatz näher, insbesondere in extremen Umgebungen wie dem Weltraum. Darüber hinaus hilft es Wissenschaftlern zu verstehen, wie sie aus häufiger vorkommenden und billigeren Elementen Materialien mit ähnlichen Eigenschaften herstellen könnten.