Zusammenfassung:
Ein internationales Forschungsteam hat herausgefunden, dass zwei experimentelle Legierungen auf Niob-Titan-Basis auch in Umgebungen mit extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt immer noch eine extrem hohe Rissbeständigkeit aufrechterhalten können. Diese Entdeckung durchbricht das langjährige Verständnis der Niedertemperaturversprödung von Metallen im Bereich der Materialwissenschaften und eröffnet eine neue Richtung für die Entwicklung zuverlässigerer Materialien für zukünftige Fusionsenergiegeräte, Quantencomputerausrüstung, Raumfahrzeuge und Wasserstoffenergieinfrastruktur.
Die meisten Metalle werden mit sinkenden Temperaturen fester, aber auch anfälliger für Brüche. Dies gilt insbesondere für Metalle mit kubisch-raumzentrierter Struktur wie Eisen, Wolfram und Chrom. Wenn die Temperaturen auf extrem niedrige Werte sinken, führen Spannungen, die sonst durch Biegung oder Verformung aufgenommen werden könnten, häufig zu plötzlichen Brüchen.
Der wichtige Grund für dieses Phänomen ist, dass die Versetzungsaktivität innerhalb des Metalls eingeschränkt ist. Versetzungen sind lineare Defekte in Kristallstrukturen, die dazu beitragen, dass sich Metalle plastisch verformen, wenn sie äußeren Kräften ausgesetzt werden. Wenn die Temperatur jedoch weiter sinkt, werden diese Versetzungen immer schwieriger zu bewegen, was dazu führt, dass das Material seine Fähigkeit zum Spannungsabbau verliert und brüchiger wird.
Ein Forschungsteam unter der gemeinsamen Leitung der University of California, Berkeley, des Lawrence Berkeley National Laboratory und der University of Oxford im Vereinigten Königreich hat herausgefunden, dass zwei experimentelle Legierungen auf Niob-Titan-Basis dieses Problem vermeiden können. Selbst in einer Umgebung von 20 Kelvin, was etwa minus 253 Grad Celsius (minus 424 Grad Fahrenheit) entspricht, zeigen sie immer noch eine starke Beständigkeit gegen Rissbildung, und bei der niedrigsten experimentell getesteten Temperatur ist kein spröder Übergang messbar.
Um das Verhalten dieser Materialien bei extrem niedrigen Temperaturen zu untersuchen, führten Wissenschaftler Experimente mit der Engin-X-Anlage an der ISIS-Neutronen- und Myonenquelle in Oxfordshire, Großbritannien, durch. Sie verwendeten Helium, um die Probe auf etwa minus 253 Grad Celsius abzukühlen, und führten dann biaxiale Zugversuche an der Probe unter Bestrahlung mit Neutronenstrahlen durch, um genau zu messen, welcher Belastung das Material standhalten konnte und wie stark es sich vor dem Bruch dehnte.
Weitere elektronenmikroskopische Beobachtungen enthüllten das Geheimnis der Zähigkeit des Materials. Die Forscher fanden heraus, dass in der Nähe von Rissen und innerhalb der Legierung eine Strukturveränderung namens „Nanozwillinge“ auftritt. Bei diesem Vorgang werden lokale Bereiche des Kristalls zu einer spiegelsymmetrischen Struktur umgeordnet, was mit einer lokalen Transformation der Kristallstruktur einhergeht.
Wenn diese neu gebildeten Strukturen benachbarte Korngrenzen berühren, erzeugen sie lokal Bereiche mit hoher Spannung und induzieren zusätzlich die Entstehung neuer Kristalldefekte. Die neuen Defekte können weiterhin die Aufgabe der plastischen Verformung übernehmen, so dass sich das Material bei Belastung weiter verformen kann, statt direkt zu reißen.
Die Forscher verglichen diesen Mechanismus mit der Notfallreaktion des Straßennetzes während eines Schneesturms. Wenn bestehende Straßen durch Eis und Schnee blockiert sind, eröffnet das Transportsystem neue Routen. Wenn die herkömmliche Versetzungsbewegung bei extrem niedrigen Temperaturen eingeschränkt wird, entstehen durch die Bildung von Nanozwillingen ebenfalls neue Verformungskanäle, die die Zähigkeit des Materials aufrechterhalten.
Das Forschungsteam stellte fest, dass dieser bisher unterschätzte mikroskopische Mechanismus einen neuen Weg aufzeigt, der Versprödung bei niedrigen Temperaturen zu widerstehen. In der Vergangenheit glaubte die Ingenieurswelt immer, dass es bei kubisch raumzentrierten Metallen schwierig sei, eine Versprödung bei extrem niedrigen Temperaturen zu vermeiden. Diese Studie zeigt jedoch, dass das Material durch eine rationale Gestaltung der Legierungszusammensetzung und Mikrostruktur aktiv den Verformungsmodus wechseln und weiterhin Spannungen absorbieren und verteilen kann.
Die Forscher glauben, dass diese Entdeckung in Zukunft die Entwicklung einer neuen Generation von Tieftemperatur-Konstruktionsmaterialien vorantreiben wird. In Fusionsreaktoren, Speicher- und Transportsystemen für flüssigen Wasserstoff, Weltraumdetektoren und Quantentechnologiegeräten müssen viele Schlüsselkomponenten über einen langen Zeitraum bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten. Materialien, die hohe Festigkeit und Zähigkeit vereinen können, werden die Zuverlässigkeit und Sicherheit dieser fortschrittlichen Technologiesysteme erheblich verbessern.
Relevante Forschungsergebnisse wurden in der internationalen Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht. Das Forschungsteam sagte, der nächste Schritt werde darin bestehen, zu untersuchen, ob dieser Mechanismus auf weitere Metallsysteme ausgeweitet werden könne, und neue technische Legierungen zu entwickeln, die für rauere Umgebungen geeignet seien.
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