Wie metallisches Glas verformbar wird
Wie andere Gläser sind auch die metallischen Gläser spröde Materialien, was ihre technische Anwendung stark einschränkt. IFW-Forscher haben nun einen Mechanismus gefunden, wie metallische Gläser unter Zugbelastung plastisch verformbar werden.
Metallische Gläser sind Legierungen, die nicht aus regelmäßig geordneten Kristallen bestehen, sondern wie Gläser oder Flüssigkeiten eine regellose Atomstruktur haben. Diese für Metalle sehr ungewöhnliche Atomanordnung hat eine einzigartige Kombination physikalischer Eigenschaften zur Folge. Metallische Gläser sind im Allgemeinen härter, korrosionsbeständiger und fester als gewöhnliche Metalle. Die für die meisten Metalle charakteristische plastische Verformbarkeit, die eine Voraussetzung für das Schmieden und Walzen ist, fehlt den metallischen Gläsern jedoch. Sie sind spröde und brechen wie Fensterglas. Dies schränkt mögliche Anwendungen dieser neuen Materialklasse natürlich deutlich ein.
Forscher des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden haben nun einen Mechanismus der Verformung aufgedeckt, der die Sprödigkeit auf Zug belasteter metallischer Gläser mildert und sie plastisch verformbar macht. Hierzu haben sie Kupfer-Zirkon-Legierungen untersucht, die sich sowohl als kristalline Legierungen und als metallische Gläser herstellen lassen. In ihrem kristallinen Zustand haben diese Legierungen ein Formgedächtnis. Das heißt, dass sie sich an eine frühere Formgebung trotz nachfolgender Verformung scheinbar „erinnern“ und die ursprüngliche Form wieder annehmen. Diese Eigenschaft scheint auch Auswirkungen auf die Verformbarkeit im Glas-Zustand zu haben. Bei mechanischer Belastung scheiden sich in dem Glas Nanometer große Formgedächtniskristalle aus, die ihrerseits eine ausgeprägte Neigung zur Bildung sogenannter Verformungszwillinge haben. Die chemische Zusammensetzung der Nanokristalle unterscheidet sich nicht von der des Glases. Damit sind nur geringfügige atomare Umordnungen nötig, um das Glas zu kristallisieren. Die Zwillingsbildung wiederum ist Ausdruck des Formgedächtniseffekts, der auf kleinen Längenskalen bevorzugt über eine Scherverformung erfolgt. Beide Prozesse, die Bildung von Nanokristallen und die Bildung von Zwillingen, benötigen Energie, die aus der aufgewandten Verformungsenergie gewonnen wird. Damit kann das Entstehen von Mikrorissen verzögert werden, die das spröde Versagen des Materials bewirken. Als Resultat ergibt sich eine makroskopisch messbare plastische Dehnung bei gleichzeitiger Verfestigung des Materials.
Eine Phasenumwandlung unter mechanischer Belastung wurde auch im Falle bestimmter Keramiken genutzt, um die plastische Verformbarkeit dieser ebenfalls sehr spröden Materialklasse zu erhöhen. Obwohl die Struktur als auch die Art der atomaren Bindungen von metallischen Gläsern und Keramiken sehr unterschiedlich ist, lässt sich dieser Ansatz scheinbar universell nutzen.
Originalveröffentlichung: S. Pauly, S. Gorantla, G. Wang, U. Kühn & J. Eckert; "Transformation-mediated ductility in CuZr-based bulk metallic glasses"; Nature Materials 2010, Volume: 9, Pages: 473-477
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