Neue strukturelle Erkenntnisse könnten zu einer mechanischen Verbesserung von Legierungen führen

Neue strukturelle Erkenntnisse könnten zu einer mechanischen Verbesserung von Legierungen führen

Zeitstempel: 23. Februar 2024, 12:55 Uhr
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23. Februar 2024 (Nanowerk-Neuigkeiten) Eine neue Klasse metallischer Materialien mit potenziellen Anwendungen in Flugzeugturbinen, Kernreaktoren und Ausrüstung für die Weltraumforschung kann extremen Temperaturen standhalten und Brüche widerstehen, aber Wissenschaftler haben bisher nicht verstanden, warum. Laut einer neuen Studie, die von Forschern der Penn State mitgeleitet wurde, könnte die Antwort auf die Nahordnung des Materials oder die lokale Anordnung der Atome innerhalb eines Materials zurückzuführen sein. Dieses Wissen könnte zu einer weiteren Verbesserung der mechanischen Leistung und Schadenstoleranz dieser Materialien führen, sagten die Forscher, was wiederum zu Fortschritten bei der Sicherheit und Zuverlässigkeit technischer Systeme der nächsten Generation für Transport oder Kraftwerke führen würde. Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht Nature Communications veröffentlicht („Verjüngung als Ursprung planarer Defekte in der CrCoNi-Legierung mittlerer Entropie“). Das Team entwickelte eine neue Bildgebungsmethode, um die lokale atomare Anordnung der metallischen Materialien, sogenannte Legierungen mit hoher und mittlerer Entropie (HEA/MEA), zu untersuchen, und konzentrierte seine Studie speziell auf die MEA aus Chrom-Kobalt-Nickel (CrCoNi) und ihre Auswirkungen auf die mechanische Leistung. „Die mechanische Leistung des CrCoNi ist erstaunlich“, sagte Mitautor Yang Yang, Assistenzprofessor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik sowie Nukleartechnik an der Penn State University, der auch dem Materials Research Institute angegliedert ist. „Zum Beispiel wurde kürzlich gezeigt, dass es mit fast -423 Grad Fahrenheit die höchste Zähigkeit auf der Erde aufweist. Aber die Leute wussten nicht, warum es so gut war.“ Einige Wissenschaftler, sagte Yang, vermuteten, dass die Nahordnung dafür verantwortlich sei. „Aber weil die Nahordnung in Materialien so klein und subtil ist, ist es sehr schwierig, sie zu beobachten oder zu messen, um experimentelle Beweise zu liefern“, sagte der Mitautor Andrew M. Minor, Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der University of California Berkeley (UC Berkeley) und dem Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). CrCoNi besteht aus drei Komponenten: Chrom, Kobalt und Nickel. Jedes Element hat innerhalb der Legierung den gleichen Atomanteil, und frühe Studien gingen davon aus, dass jede der drei Atomarten zufällig innerhalb des Systems verteilt sei, so Yang. Yang sagte jedoch, dass neuere Studien zeigten, dass das Material tatsächlich eine Nahordnung aufweist. „Stellen wir uns vor, es gäbe eine Party mit Leuten aus Penn State, Ohio State und North Carolina State“, sagte Yang. „Und im Idealfall würde man erwarten, dass sich alle nahtlos vermischen und eine einheitliche Mischung von Personen im gesamten Raum entsteht. In der Praxis ist dies jedoch nicht immer der Fall. Oft neigen Menschen derselben Universität dazu, sich aufgrund gemeinsamer Erfahrungen zueinander hingezogen zu fühlen. Dabei handelt es sich um eine Art Nahordnung, die von der erwarteten Zufallsverteilung abweicht.“ Um die Rolle der Nahordnung in CrCoNi zu untersuchen, entwarf das Team ein Experiment mit einem energiegefilterten 4D-Rastertransmissionselektronenmikroskopiesystem (4D-STEM). Bei einem 4D-STEM-Experiment tastet ein nanoskaliger Elektronenstrahl die Probe ab und erzeugt für jeden Punkt ein Nanostrahl-Elektronenbeugungsmuster. Laut Minor konnten sie jede Sekunde Hunderte von Elektronenbeugungsbildern aufnehmen und so die Entwicklung von Materialdefekten unter Belastung mit einem großen Sichtfeld und hoher Auflösung analysieren. „Defekte entstehen während des mechanischen Verformungsprozesses, und wir haben tatsächlich festgestellt, dass es einen Übergang bei der Bildung eines Defekts gibt“, sagte Minor und bemerkte, dass sie sich speziell auf planare Defekte oder die „Fehler“ in der Stapelfolge der Ebenen konzentrierten Atome. „Wir haben herausgefunden, dass der planare Defekt während der ersten Zyklen vollständig reversibel ist. Wenn wir es verformen und dann die Kraft nachlassen, erholt es sich vollständig. Nach etwa tausend Zyklen mechanischer Verformung verschwindet diese Reversibilität jedoch. An diesem Punkt bleibt der Defekt tendenziell bestehen, nachdem wir die Last freigegeben haben. Und dieser Übergang wird unserer Meinung nach tatsächlich durch die Nahordnung in diesem System bestimmt.“ Yang sagte, das liegt daran, dass das System zu Beginn über eine große Nahordnung verfügt, die die reversiblen Prozesse begünstigt. Die Verformung zerstört jedoch nach und nach diese kleine Ordnung, und das stimmt den Verformungsmechanismus auf einen anderen Mechanismus um, der die Bildung eines planaren Defekts begünstigt. „Die Kurzstreckenordnung ist wie ein Moderator“, sagte Yang. „Die lokale Dichte oder der Grad davon steuert, welcher Mechanismus funktioniert und welcher nicht.

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