Gleichzeitige Verbesserung der Festigkeit und Dehnung metallischer Werkstoffe

So wie sich eine Seite einer Wippe nach oben und die andere nach unten bewegt, stehen im Bereich metallischer Werkstoffe „Festigkeit“ und „Dehnung“ normalerweise im Konflikt. Ein Gemeinschaftsteam von POSTECH und der Northwestern University stellte jedoch kürzlich eine revolutionäre Technologie vor, die diese beiden Eigenschaften verbessert.

Ein Forschungsteam, bestehend aus Professor Hyoung Seop Kim vom Graduate Institute of Ferrous and Ecological Materials Technology und dem Department of Materials Science and Engineering, Professor Yoon-Uk Heo vom Graduate Institute, studiert Eisen- und umweltfreundliche Materialtechnologie und ist Doktorand Hyojin Park vom Department of Materials Science and Engineering der POSTECH arbeitete mit Dr. Farahnaz Haftlang vom Department of Materials Science and Engineering der Northwestern University zusammen.

Gemeinsam befassten sie sich mit einem seit langem bestehenden Problem der Metallforschung: dem Kompromiss zwischen Festigkeit und Dehnung. Ihr Durchbruch besteht darin, eine Legierung zu entwickeln, die sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine hohe Dehnung aufweist.

Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

Die Streckgrenze ist die Mindestspannung, bei der sich ein Material, beispielsweise Metall, zu verformen beginnt. Um die Haltbarkeit und strukturelle Sicherheit eines Materials zu verbessern, muss seine Streckgrenze erhöht werden, üblicherweise durch Verstärkung seiner Mikrostruktur durch „Ausscheidungen“ (winzige, im Metall eingebettete Partikel). Bei diesem Verfahren weicht die Ausscheidung jedoch häufig von der Struktur des Grundmetalls ab, was zu einer Verringerung der Dehnung mit zunehmender Festigkeit führt. Dieser Kompromiss zwischen „Festigkeit“ und „Dehnung“ hat es traditionell schwierig gemacht, beide Eigenschaften gleichzeitig zu verbessern.

Das Team von Professor Hyoung Seop Kim von POSTECH hat einen neuen Ansatz zur Lösung dieses Problems entwickelt, der als „spinodale Zersetzung“ bezeichnet wird. Bei diesem Prozess erfolgt die spontane Trennung einer festen Lösung in zwei unterschiedliche Phasen, wodurch nanoskalige Strukturen mit regelmäßig angeordneten Atomen entstehen.

In dieser Studie wurden Kupfer (Cu) und Aluminium (Al) einer eisenbasierten Legierung mittlerer Entropie zugesetzt, um eine periodische spinodale Zersetzung im Nanomaßstab auszulösen. Dieser Prozess führte zu einer spinodalen Verhärtung, einem Phänomen, das die Widerstandsfähigkeit gegenüber struktureller Verformung verbessert. Daher erhöht die resultierende Mikrostruktur die Festigkeit des Materials. Die resultierende Mikrostruktur mit ihren gleichmäßig angeordneten Merkmalen verteilt die Spannung effektiv im gesamten Material. Diese Verteilung trägt dazu bei, lokale Verformungen zu minimieren und dadurch die Gesamtfestigkeit zu erhöhen, während die Dehnung erhalten bleibt.

Experimente ergaben, dass mit der Methode des Teams hergestellte Legierungen eine größere strukturelle Integrität aufwiesen als herkömmliche Legierungen und eine Streckgrenze von 1,1 GPa (Gigapascal) erreichten. Dies stellt eine Verbesserung von 187 % gegenüber der Legierung ohne spinodale Zersetzung dar. Bemerkenswerterweise behielt die Legierung trotz dieser erhöhten Streckgrenze fast die gleiche Dehnung (28,5 %) wie zuvor. Dieser Fortschritt ermöglicht sowohl eine verbesserte Festigkeit als auch eine verbesserte Dehnung.

Hyoung Seop Kim, Professor an der POSTECH, sagte: „Wir haben die mechanischen Eigenschaften spinodaler Strukturen in Legierungen mit komplexer Zusammensetzung untersucht. Unsere hochfeste Legierungstechnologie mit hoher Dehnung hat das Potenzial, Produkte in verschiedenen Branchen, darunter Luft- und Raumfahrt, Automobil, Energie und Elektronik, zu verbessern und sie leichter und langlebiger zu machen. »