Forscher fanden heraus, warum Korngrenzen in bestimmten Werkstoffen versagen – und auch wie sich die Ausscheidung schädlicher Elemente abmildern lässt, um Materialversagen in polykristallinen Werkstoffen zu verhindern.
Die Struktureinheiten der atomaren Korngrenze bilden rautenförmige Motive aus. Hier scheint die Struktur durch Defekte auf atomarer Ebene gestört zu sein (gelbe Pfeile).
MPIE / Nature Communications
Stahl ist Basiswerkstoff für unzählige Anwendungen, und das nicht von ungefähr: Er kann sehr weich und ausgezeichnet umformbar, aber auch sehr hart und dafür spröde hergestellt werden. In der "Welt des Stahls" ist der Übergang vom schmelzflüssigen in den festen Zustand der Schlüssel für diese unterschiedlichen Qualitäten. Das Erstarren der Stahlschmelze setzt an Kristallisationskeimen an – also an Gruppen von Atomen in der Anordnung des Kristallgitters. "Dabei entstehen kleine Kristallite mit unterschiedlichen Gitterrichtungen. Die entstandenen Grenzen zwischen den Kristalliten (Körner) bilden die Korngrenzen", erklärt Joachim Schlegel im Buchkapitel "Stahlherstellung". Selbst die Größe der bei der Erstarrung entstandenen Körner hat Einfluss auf die Eigenschaften des Stahls; sie ist abhängig von der Anzahl der Keime und der Kristallisationsgeschwindigkeit, die sich im Herstellungsprozess gut steuern lässt, wie Schlegel im Weiteren erläutert: "So führen eine große Keimanzahl und eine schnelle Abkühlung zu einem sehr feinkörnigen Gefüge" – mithin zu hoher Festigkeit.
Die an den Korngrenzen stattfindende Chemie beeinflusst wesentlich die makroskopischen Eigenschaften polykristalliner Materialien. Offensichtlich wird dies etwa im eklatanten Unterschied von Zug- und Druckfestigkeit bei Gusseisen. "Die zwischen den Korngrenzen liegenden Graphitteilchen vermindern bei der Zugbeanspruchung den Zusammenhang der Körner, während sie bei der Druckbeanspruchung mittragen", führen Wolfgang und Alfred Böge im Buchkapitel "Festigkeitslehre" aus.
Was passiert, wenn zwei oder mehr Elemente an die Korngrenze diffundieren und sich dort absetzen? Wie interagieren sie miteinander und wie beeinflussen sie die Eigenschaften der Grenzflächen? Ali Ahmadian geht am Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf solchen Fragen auf den Grund. Die Entmischung von gelösten Stoffen und Verunreinigungsatomen an Korngrenzen sei in den letzten Jahrzehnten zwar ausgiebig untersucht worden, allerdings meist in binären Legierungen, die als Modellsysteme fungieren, um die Entmischungstendenzen einzelner gelöster Stoffe zu erkennen. Technologisch relevante Legierungssysteme wiesen hingegen eine komplexe Zusammensetzung auf, die auf die Maximierung ihrer mechanischen Eigenschaften zugeschnitten sei. Fakt ist: "Das Zusammenspiel verschiedener gelöster Stoffe in ternären oder höherwertigen Systemen auf die Korngrenzenseigerung ist kaum bekannt", berichten Ahmadian und Mitautoren in Nature Communications.
Das Team hat die Auswirkung der Ko-Segregation von Kohlenstoff und Bor auf das Legierungsmetall Aluminium an einer Korngrenze eines Bikristalls (α-Fe-4-at%Al) untersucht und dafür Rastertransmissionselektronenmikroskopie, energiedispersive Spektroskopie und Atomsondentomografie kombiniert. Hinzu kamen Berechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie, die am Materials Center Leoben (Österreich) ausgeführt wurden, um die zugrundeliegenden Ausscheidungsmechanismen zu klären. "Wir fanden heraus, dass sich die Atome regelmäßig rautenförmig an der Korngrenze anordnen. Überraschenderweise deuten unsere Experimente zur Zusammensetzung der Korngrenze darauf hin, dass Aluminium nicht angereichert, sondern abgereichert wird – ganz im Gegensatz zu Ergebnissen früherer theoretischer Studien", fasst Ahmadian die Ergebnisse zusammen.
Korngrenzen können versagen
Das Team beobachtete und simulierte, wie sich Kohlenstoff- und Borverunreinigungen an der Korngrenze ablagerten und Aluminium abstießen. "Unsere Ergebnisse könnten erklären, warum Korngrenzen in bestimmten Werkstoffen versagen. Und auch wie sich die Ausscheidung schädlicher Elemente abmildern lässt, um Materialversagen zu verhindern. Mit unseren Modellierungswerkzeugen könnten wir in Zukunft sogar Vorhersagen über die Segregation von Korngrenzen und die Grenzflächeneigenschaften treffen, um die Materialentwicklung zu steuern. Dies ist für die Entwicklung von Hochleistungswerkstoffen absolut notwendig", kommentiert Christian Liebscher, Leiter der MPIE-Gruppe "Advanced Transmission Electron", das Forschungsergebnis.
Forschung an Zink
In einem nächsten Schritt wollen die Materialwissenschaftler ihre Untersuchungen auf komplexere Werkstoffsysteme ausweiten. Dabei haben sie ein Auge auf Zink geworfen, das Flüssigmetallversprödung verursachen kann, die in vielen Eisenbasislegierungen und Stählen zu katastrophalem Materialversagen führt. Schäden durch Flüssigmetallversprödung können bei Einwirkung flüssigen Metalls auf metallische Werkstoffe im festen Zustand entstehen, wie zum Beispiel beim Verzinken. "Die Theorie der Flüssigmetallversprödung geht davon aus, dass durch das Einwirken und das Eindringen von Metallschmelzen die Oberflächenenergie herabgesetzt und damit die Risseinleitung unter äußeren und/oder inneren Spannungen erheblich erleichtert wird", erläutert Karlheinz G. Schmitt-Thomas den Vorgang im Buchkapitel "Beanspruchungsreaktionen und Schadenmerkmale". Entsprechend den bevorzugten Eindringpfaden entlang der Korngrenzen verlaufe die Trennung überwiegend interkristallin. Ziel der Forscher am MPIE ist es nun, Legierungs- oder Verarbeitungskonzepte zu finden, die künftig die Wirkung von Zink auf Korngrenzen abschwächen.