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27.04.2021 | Metalle | Im Fokus | Onlineartikel

Das verborgene chemische Leben der Gitterdefekte

Autor:
Dieter Beste
3 Min. Lesedauer

Fortschritte in der Materialcharakterisierung auf atomarer Skala ermöglichen es, Versetzungen im Kristallgitter von Metallen und deren Wechselwirkungen nanoskopisch zu untersuchen – mit dem Ergebnis, dass konventionelle Vorstellungen erweitert werden müssen.

In der Kristallographie sind Versetzungen im Gitter – auch Defekte genannt – spannende Orte: "Kristalle bauen sich aus einem dreidimensionalen periodisch symmetrischen Raumgitter auf. Das Wachstum stellt man sich so vor, dass die Bausteine oder Teile davon sich aus einer Gasphase oder Lösung/Schmelze an einen Keim oder an die Oberfläche eines Kristalls geeignet anlagern", erklären Matthias Göbbels, Jens Götze und Werner Lieber im Buchkapitel "Kristallographie". Treten in diesem Prozess Fehler auf, manifestieren sich Baufehler, die sogenannten Versetzungen bzw. Defekte.

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Kristallographie

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Mannigfach untersucht, zeigen sich die Unregelmäßigkeiten im Gitterbau in unterschiedlicher Gestalt. Die Springer-Autoren stellen Spielarten wie Stufenversetzung, Schraubenversetzung oder Kleinwinkelkorngrenzen im Detail vor und fassen zusammen: "Bei allen strukturellen Defekten bilden sich Gitterverzerrungen. Diese beeinflussen die physikalischen Eigenschaften. Bei Phasenumwandlungen können solche lokalen Gitterverzerrungen je nach Material die Umwandlung initiieren oder behindern. Weiterhin können im Bereich dieser Gitterverzerrungen lokal Fremdionen bevorzugt eingebaut werden."

Forscher des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE), der RWTH Aachen, der University of Alabama, der University of Manchester und dem Imperial College London berichten nun in der Zeitschrift "Science Advances", dass die atomare Natur dieser Defekte nicht nur durch strukturelle Merkmale, sondern auch durch ihre chemische Zusammensetzung bestimmt wird. Jeder Defekttyp bewegt sich anders in der Gitterstruktur und beeinflusst damit die Eigenschaften des Materials in unterschiedlicher Weise. Im Licht dieser neuen Erkenntnisse, so das Forscherteam, sei es somit an der Zeit, das Lehrbuchwissen darüber zu revidieren, wie sich Atome verschiedener Elemente in einer Legierung zu Versetzungen absetzen. Bislang besagt die Theorie, dass sich gelöste Atome zufällig als Wolken um Versetzungen sammeln. Über die Auswirkungen dieses Phänomens auf die Festigkeit von Stählen, das nach dem britischen Metallurgen Sir Alan Howard Cottrell als "Cottrell-Wolke" in die Literatur einging, berichten Bernhard Ilschner und Robert F. Singer im Buchkapitel "Festigkeit – Verformung – Bruch" auf Seite 220.

Cottrell-Wolken - und viele weitere Segregationszustände

"Wir haben eine binäre Platin-Gold-Modelllegierung verwendet und das Reich der komplexen chemischen Eigenschaften aufgedeckt. Wir fanden heraus, dass es neben dem Cottrell-Wolken-Phänomen noch viele andere Segregationszustände gibt", berichtet Xuyang (Rhett) Zhou, Erstautor der Arbeit und von der Alexander von Humboldt-Stiftung geförderter Postdoktorand am MPIE. Die Experimente und Simulationen hätten gezeigt, dass die Segregation nicht nur durch die Defektstruktur, sondern auch durch die topologische Anordnung der Defekte im Gitter bestimmt wird.

Darüber hinaus hängt das Ausmaß der Segregation offenbar auch von der Art des Wirtsdefekts ab. "Wir konnten die Defekttypen und die Segregationschemie sowohl aus den Experimenten als auch aus den Simulationen quantitativ auflösen und zeigen, dass jede Defektkonfiguration ihren eigenen spezifischen Segregationszustand aufweist, der oft erheblich von der Cottrell-Theorie abweicht", sagt Jaber Mianroodi, Gruppenleiter am MPIE, der an den Simulationen für diese Studie beteiligt war. "Die unterschiedlichen Zustände der lokalen chemischen Zusammensetzung an Defekten können einen erheblichen Einfluss auf das mechanische und chemische Verhalten von Materialien haben. Unsere Erkenntnisse ebnen den Weg, lokale chemisch-strukturelle Defektzustände für das Design spezifischer Eigenschaften zu tunen", ordnet Dierk Raabe, Direktor am MPIE das Forschungsergebnis ein und hofft darauf, neue Materialien künftig einmal auf Basis eines Defekt-Engineerings entwickeln zu können.

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