Stähle mit hoher Temperaturstabilität

Werkstoffe 10. 04. 2015
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Von Fritz Körmann, Tilmann Hickel und Yasmin Ahmed Salem

Was macht Eisen bei hohen Temperaturen stabil? Seit langem beschäftigen sich Materialwissenschaftler mit dieser Frage, die sowohl für die Stahlherstellung als auch dessen Verarbeitung von immenser Relevanz ist. Nun gelang es Forschern der Abteilung Computergestütztes Materialdesign am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) in Zusammenarbeit mit Kollegen vom California Institute of Technology (Caltech) mit völlig neuen theoretischen Ansätzen und aufwendigen experimentellen Untersuchungen dieser Frage auf den Grund zu gehen.

Eisen gehört zu den kristallinen Materialien, das heißt die Eisenatome sind in einem Gitter angeordnet und weisen eine bestimmte Struktur auf. Mit zunehmender Temperatur beginnen die Atome um ihre Plätze im Gitter mehr und mehr zu schwingen, ähnlich den Saiten einer Geige, die stärker gestrichen oder gezupft werden – Wissenschaftler sprechen hier von Gitterschwingungen. Bei Stählen, die überwiegend aus magnetischen Eisenatomen bestehen, existieren neben diesen atomaren Schwingungen auch magnetische Anregungen. Hierfür kann man sich jedes Eisenatom als kleinen Magneten vorstellen, der bei hohen Temperaturen seine Ausrichtung umdreht und ähnlich wie das Schließen von Flötenventilen durch den neuen Zustand für ganz eigene Klänge in einem solchen Duett sorgt.

Seit langer Zeit wird vermutet, dass die Stabilität von Eisen bei hohen Temperaturen durch eine Kopplung der atomaren Schwingungen und magnetischen Anregungen realisiert wird. Bisher war es aber weder
experimentell noch theoretisch möglich, solchen atomaren Symphonien zuzuhören. Eine am MPIE neu entwickelte Methode, die Konzepte aus verschiedensten Zweigen der theoretischen Physik miteinander verbindet, erlaubt es den Forschern nun erstmals den gegenseitigen Einfluss der beiden atomaren Symphoniker über den kompletten Temperaturbereich zu bestimmen. Es wurde schon seit einiger Zeit spekuliert, dass die strukturelle Stabilität von Eisen eng verknüpft ist mit einer Wechselwirkung zwischen den magnetischen Anregungen und der atomaren Bewegung. Die Wissenschaftler können jetzt diese Kopplung beschreiben und darüber hinaus ihre theoretischen Vorhersagen auch mit den Messungen der Kollegen vom Caltech übereinstimmen, so Fritz Körmann, Wissenschaftler am MPIE. Dabei zeigte sich dieser, in der Physik als Magnon-Phonon-Wechselwirkung bezeichneter Einfluss, als unerwartet stark und entscheidend für die Stabilität von Stählen bei mehreren 100 °C.

Die theoretischen Vorhersagen der Wissenschaftler am MPIE wurden durch ein Team von Caltech-Wissenschaftlern experimentell untermauert. Hierfür wurden am renommierten Argonne National Laboratory in den USA Röntgenstrahlexperimente durchgeführt und detailliert ausgewertet. Das Ergebnis beeindruckte auch Brent Fultz, Leiter der experimentellen Studie und Professor für Materialwissenschaften und angewandte Physik am Caltech: Typischerweise wird angenommen, dass die Wechselwirkung zweier unabhängiger Prozesse klein ist. Die detaillierte Analyse der Messungen zur Bestimmung der interatomaren Kräfte zeigte, wie stark die Gitterschwingungen durch den Magnetismus beeinflusst werden. Dies wurde sogar noch beeindruckender durch die Computersimulationen gezeigt, bei denen es möglich ist die Wechselwirkung an- und auszuschalten.

Die neuen Einblicke in die Wechselwirkungen und die thermodynamische Stabilität von Eisen bilden eine Grundlage für die systematische Weiterentwicklung und das Design neuer Hochtemperaturstähle. Die Tatsache, dass man nun in der Lage ist die fundamentalen Mechanismen zu entschlüsseln, die für das für die Stahlentwicklung so wichtige thermodynamische Phasendiagramm von Eisen verantwortlich sind, ist der systematischen Entwicklung neuer computergestützter Methoden von Fritz, Tilmann und Blazej in den letzten Jahren zu verdanken, so Jörg Neugebauer, Direktor am Max-Planck-Institut für Eisenforschung. Nur durch die Kombination verschiedener wissenschaftlicher Ansätze zum Beispiel aus der Quantenmechanik, der statistischen Mechanik und der Thermodynamik, und durch den Einsatz leistungsstarker Supercomputer wurde es möglich, die komplexen und bisher nicht verstandenen dynamischen Phänomene in einem der technologisch bedeutsamsten strukturellen Materialen zu verstehen.

Im Fokus der Wissenschaftler sind momentan Eisen-Mangan-Stähle, wie zum Beispiel TRIP-Stähle (TRIP steht für Transformation Induced Plasticity), welche sich durch ihre hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Verformbarkeit auszeichnen. Dafür werden die theoretischen Konzepte am MPIE jetzt derart verallgemeinert, dass Materialien mit verschiedensten Legierungskomponenten behandelt werden können.

Quelle

F. Körmann, B. Grabowski, B. Dutta, T. Hickel, L. Mauger, B. Fultz, and J. Neugebauer: Temperature dependent magnon-phonon coupling in bcc Fe from theory and experiment, Phys. Rev. Lett. 113, 165503 (2014).

Atomare Schwingungen und magnetische Anregungen beeinflussen die Stabilität von Stählen bei hohen Temperaturen. Dabei kann man sich die Eisenatome (im Bild als Kugeln dargestellt) als kleine Magneten vorstellen, die bei zunehmender Temperatur ihre Ausrichtung umdrehen (graue Pfeile). Die neu entwickelte Methode erlaubt erstmals die Berechnung des gegenseitigen Einflusses von atomaren Schwingungen und magnetischen Anregungen über den kompletten Temperaturbereich zu berechnen (Bildquelle: Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH)

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