Lassen sich Korngrenzen gestalten?

Korngrenzen trennen die einzelnen Kristalle eines Metalls. Bekannt ist, dass diese inneren Grenzflächen die Materialeigenschaften beeinflussen. Was dort genau geschieht, wollen Forscher jetzt herausfinden, – um Phasenübergänge von Korngrenzen gezielt zu verändern.

Der Verbund der Kristallite (Kristallkörner) eines vielkristallinen Metalls (das Gefüge) wird in der Regel durch mikroskopische Untersuchungen bestimmt. In "Werkstoffe und ihre Anwendungen" stellen Wolfgang Weißbach, Michael Dahms und Christoph Jaroschek ausführlich den gegenwärtigen Stand des Wissens zur Metallkunde, zu Struktur und Verformung der Realkristalle, zu Verfestigungsmechanismen, zu Vorgängen im Metallgitter bei höheren Temperaturen und zu dem Einfluss eines Legierungselements auf ein Basismetall vor. 

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2018 | OriginalPaper | Chapter

Grundlagen der Metall- und Legierungskunde

Die in diesem Kapitel erläuterten Begriffe werden in den nachfolgenden Kapiteln immer wieder angewendet. Die Kenntnis dieser Begriffe ist deshalb unumgänglich für das Verständnis der Vorgänge in den Werkstoffen und damit letztlich für die …

Im Kapitel "Metallische Werkstoffe" diskutieren die Springer-Autoren diese materialographischen Grundlagen immer auch unter dem Gesichtspunkt der Materialeigenschaften bzw. deren Veränderbarkeit. Bekannt ist, dass die Korngrenzen zwischen den Kristallkörnern eines vielkristallinen Metalles mit ungleich gerichteten Kristallachsen Einfluss auf die elektrischen, magnetischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften eines Materials haben. 

Die Materialographie ist eine metallkundliche Untersuchungsmethode, der bei der Auswahl des für Anwendung und Fertigung günstigsten Gefüges, zur Kontrolle, zur Ermittlung von Verarbeitungsfehlern sowie bei der Aufklärung von Schadensfällen besondere Bedeutung zukommt." "Dubbel", Seite E31.

Wenig bekannt ist allerdings, was genau an diesen inneren Grenzflächen geschieht und wie die Veränderung von Korngrenzen zur Verbesserung von Materialeigenschaften genutzt werden könnte. Gründe dafür seien die strukturelle und chemische Komplexität von Korngrenzen, die darin vorhandenen Defekte und bisher unzureichende Charakterisierungstechniken, berichtet Gerhard Dehm, Direktor am Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf. Dehm wird jetzt vom Europäischen Forschungsrat (ERC) mit 2,5 Millionen Euro gefördert, um diesen Fragen auf den Grund zu gehen und darauf aufbauend vielleicht einmal maßgeschneiderte Materialien für verschiedenste Anwendungen zu entwickeln.

Erhöhung der Korngrenzfestigkeit

Das Projekt zielt darauf ab, Korngrenzphasenübergänge aufzuklären, thermodynamische Konzepte zur Vorhersage zu entwickeln, sie mit Eigenschaftsänderungen zu korrelieren und schließlich Designkriterien für den gezielten Einsatz von Korngrenzphasenumwandungen aufzustellen. So könnten beispielsweise die in der Leistungselektronik üblicherweise verwendeten metallischen Kontakte auf Kupferbasis durch die Erhöhung der Korngrenzfestigkeit temperaturresistenter und damit langlebiger gemacht werden, hoffen die MPIE-Forscher. 

Dünnschichtsysteme aus Cu- und Al-Legierungen

Um Phasenumwandlungen in Korngrenzen zu verstehen und in Korngrenz-Phasendiagrammen zusammenzufassen, wollen Dehm und sein Team sich in einem ersten Schritt auf Dünnschichtsysteme aus Kupfer- und Aluminium-Legierungen konzentrieren, heißt es in einer Mitteilung des MPIE. Denn dünne Schichten ermöglichten eine hierarchische Strategie, bei der zunächst bikristalline, dann oligokristalline und schließlich polykristalline Dünnschichten analysiert und so Schritt für Schritt in den mehrdimensionalen Raum der Korngrenzen vorgedrungen werden könne.