Der ultimative Traum eines jeden Materialwissenschaftlers ist es wohl, Legierungen zu entwickeln, die neben hoher Festigkeit gleichzeitig auch Zähigkeit und Duktilität in sich vereinen, und das idealerweise unter extremen Anwendungsbedingungen. Ein außergewöhnliches Beispiel dafür wurde von einem internationalen Team von Wissenschaftlern unter Mitwirkung von Dr. Anton Hohenwarter vom Department Materialphysik untersucht. Die Ergebnisse wurden nun im renommierten Journal “Science” unter dem Titel “A fracture-resistant high entropy alloy for cryogenic applications” veröffentlicht.

Reinmetalle können durch Zugabe weiterer Elemente gefestigt werden – das wohl älteste Beispiel dazu stammt aus der Bronzezeit, als man entdeckte, dass Kupfer durch Zugabe von Zinn fester wird. Modernere Beispiele dazu kennt man von den Massenwerkstoffen Stahl, der mittels Kohlenstoff gehärtet werden kann, oder Aluminium, dessen vielseitiger Einsatz erst durch Zugabe weiterer Elemente ermöglicht wird. Die Beimengung sogenannter Legierungselemente zu einem Basismetall führt also oft erst zu den notwendigen mechanischen Eigenschaften, was man in vielen Fällen der Ausbildung festigkeitssteigernder zusätzlicher Phasen oder Ausscheidungen verdankt.

Hoch-Entropie-Legierungen 

Im Gegensatz dazu steht die relativ junge Legierungsklasse der sogenannten “Hoch-Entropie”-Legierungen. Die von Hohenwarter untersuchte Legierung aus CoCrFeMnNi (Cobalt, Chrom, Eisen, Mangan, Nickel) besteht aus gleichen Anteilen der Einzelelemente. Sie besteht jedoch nur aus einer Phase, ähnlich wie ein Reinmetall, was man der hohen Konfigurationsentropie, die mit der Anzahl der Legierungselemente steigt, zuordnen kann – davon leitet sich auch der Begriff “Hoch-Entropie”-Legierung ab. Es gibt sozusagen kein Basismetall, auf dem aufgebaut wird und von dem man die Grundeigenschaften der Legierung ableiten könnte.

Diese Multi-Element-Legierung wurde im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit hergestellt und bezüglich ihrer Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften untersucht. Dabei waren Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Labs, des Oak-Ridge National Labs, beide USA, und des Departments Materialphysik am Erich Schmid Institut für Materialphysik der österreichischen Akademie der Wissenschaften beteiligt.

Erstaunliche Eigenschaften 

“Die beobachteten Resultate sind erstaunlich”, betont Hohenwarter: Obwohl die Einzelelemente ganz unterschiedliche Kristallstrukturen besitzen, besteht die Legierung aus einer einzelnen Kristallstruktur, die man als kubisch-flächenzentriert bezeichnet. Zugversuche zeigen, dass die Festigkeit der Legierung mit sinkender Prüftemperatur steigt. Dieser Effekt war bisher nur für Metalle und Legierungen mit anderen Kristallstrukturen bekannt. Zusätzlich zeigen die Messungen, dass die Duktilität (Verformbarkeit) deutlich zunimmt, wenn die Versuche bei niedrigen Temperaturen (minus 196 Grad Celsius) durchgeführt werden.

Zusätzlich wurde die Bruchzähigkeit, eine Größe, die den Materialwiderstand gegen das Wachstum von Rissen charakterisiert, unter die Lupe genommen. Die Ergebnisse zeigen sehr hohe Bruchzähigkeiten, die zudem mit sinkender Prüftemperatur konstant bleiben bzw. sogar leicht ansteigen. Normalerweise würde man erwarten, dass das Material bei tiefen Temperaturen spröder wird und die Bruchzähigkeit abnimmt. Diese Verbesserung der mechanischen Eigenschaften könnte speziell für Tieftemperaturanwendungen, wie zum Beispiel für Lagertanks zur Speicherung von Gasen unter hohem Druck, von großem Interesse sein.

Großes Entwicklungspotenzial 

“Das Geheimnis hinter dem ungewöhnlichen Verhalten konnte durch Untersuchungen der Mikrostruktur gelüftet werden”, erklärt der Leobener Wissenschaftler. Im Vergleich zu Versuchen bei Raumtemperatur, wo die Verformung weitgehend von Kristallbaufehlern, welche man als Versetzungen bezeichnet, getragen wird, kommt bei tiefen Temperaturen ein zusätzlicher Verformungsmechanismus zum Einsatz. Es bilden sich sogenannte Nano-Zwillinge im Material. Diese Zwillinge sind Bereiche, in denen sich Atome als Spiegelbilder benachbarter Atome anordnen. Die Dicke dieser Beiche ist dabei in der Größenordnung von nur wenigen Nanometern. Dieser zusätzliche Verformungsmechanismus unterstützt die Verfestigung des Materials während der Verformung und verzögert dadurch den Zeitpunkt des Versagens.

Obwohl die mechanischen Eigenschaften schon im derzeitigen Zustand außergewöhnlich sind, steckt noch großes Entwicklungspotenzial in diesem neuen Material. Ähnlich wie bei klassischen Legierungen könnten Zweitphasen, zum Beispiel in der Form von feinverteilten Ausscheidungen, die mechanische Performance weiter steigern.

Dipl.-Ing. Dr.mont. Anton Hohenwarter

Hohenwarter studierte an der Montanuniversität Werkstoffwissenschaft (2000-2006) und verfasste am Erich Schmid Institut für Materialwissenschaft der österreichischen Akademie der Wissenschaften in Leoben seine Doktorarbeit (2007-2010). An diesem Institut ist er noch tätig und hat zurzeit eine Anstellung als Universitätsassistent am Institut für Materialphysik der Montanuniversität.

Details zur Veröffentlichung:
“A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications”
Bernd Gludovatz, Anton Hohenwarter, Dhiraj Catoor, Edwin H. Chang, Easo P. George, Robert O. Ritchie
Science 345, 1153 (2014);
DOI: 10.1126/science.1254581
Link: http://www.sciencemag.org/content/345/6201/1153.abstract

Weitere Informationen:
Dipl.-Ing. Dr.mont. Anton Hohenwarter
Lehrstuhl für Materialphysik der Montanuniversität Leoben
E-Mail: anton.hohenwarter(at)unileoben.ac.at
Tel.: +43 3842 804-313