Härtung durch verformungs-ind. Leerstellen in SPD Nanometallen

Zu Ende der 90er Jahre wurden erstmals nanokristalline Materialien dargestellt, die ob ihrer besonderen physikalischen Eigenschaften (mechanische, magnetische, thermoelektrische und andere) in der Fachwelt grosse Aufmerksamkeit erregten. Seit diese Materialien auch in massiver Form hergestellt werden können, gewinnen sie auch für Anwendungen und kommerziellem Einsatz stark an Bedeutung. Die mittlerweile gängigste Methode, massive Nanomaterialien mit 100% Dichte zu realisieren, ist diejenige der "Severe Plastic Deformation - SPD", die im Vergleich zu anderen Methoden auch zusätzliche Verbesserungen bei den mechanischen Eigenschaften bietet. Die Ursache dieser Verbesserungen ist durch die Existenz und Anordung der verformungsinduzierten Gitterdefekte gegeben, wozu Versetzungen, planare Defekte, aber auch Punktdefekte gehören. Das vorliegende Projekt befasst sich mit diesen verformungsinduzierten Punktdefekten, von denen - gemäß der aktuellen Plastizitätsforschung - Leerstellen bzw. Leerstellen-Agglomerate eine dominierende Rolle spielen. Diese Leerstellen-Defekte sind z.B. für die Diffusionseigenschaften der Nanomaterialien wichtig, zeigen aber auch einen signifikanten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von SPD Nanometallen, nicht zuletzt da sie in sehr hohen Konzentrationen vorliegen. Das gegenständliche Projekt legt den Schwerpunkt auf das Studium und die Quantifizierung des direkten Einflusses der Leerstellenagglomerate auf die makroskopische Festigkeit, die dadurch bis zu 100% gesteigert werden kann; dieser Effekt wurde bisher in der Literatur noch nie systematisch untersucht. Die für die SPD-Behandlung herangezogene Methode ist "High Pressure Torsion - HPT", da mit dieser Technik sämtliche Prozeßparameter wie Temperatur, Verformungsgeschwindigkeit und hydrostatischer Druck in weiten Bereichen kontrolliert variiert werden können. Die geplanten Studien betreffen nicht nur kfz sondern auch hdp und krz Nanomaterialien, für die eine erhöhte Wirkung der Leerstellenagglomerate auf die Festigkeit erwartet wird. Zur Erhöhung der thermischen Stabilität der leerstellenartigen Gitterdefekte und der damit verbundenen Eigenschaften sind repräsentative Experimente mit Wasserstoff geplant, welcher als Legierungskomponente fungiert und die Bildung und Stabilität dieser Defekte begünstigt. Bekannte Modelle für die Härtung durch Leerstellenkomplexe sollen anhand spezifischer Experimente geprüft bzw. verbessert werden.

Ziel des Projektes war es den Einfluss der Punktdefekte, vor allem der Leerstellen, auf die zunehmende Festigkeit von hochverformten Metallen zu untersuchen. Es konnte erfolgreich nachgewiesen werden, dass Leerstellen mittels Bildung von Agglomeraten eine zusätzliche Härtung in Metallen und Legierungen von bis zu 35% verursachen können. Nanokrystalline Materialien werden durch ihren Herstellungsprozess härter, duktiler und verändern oft sogar ihre elektrischen oder magnetischen Eigenschaften. Eine wichtige Herstellungsmethode ist High Pressure Torsion HPT (Hochdruck-Torsion). Mit HPT sind der Verformung keine Grenzen gesetzt. Durch den hohen Druck beim Prozess (bis zu 100 Tonnen Gewicht auf einer münzgrossen Probe), werden Risse unterdrückt und selbst spröde Materialien wie Glas oder Keramiken können verformt werden. Die hohen Verformungsgrade verändern vor allem die Festigkeit der Materialien. Die Härte zB von Kupfer wird nach HPT fast fünf fach höher (von 0,3 GPa auf 1,4 GPa)! Die Ursache dieser Verbesserungen ist durch die Existenz und Anordnung der verformungsinduzierten Gitterdefekte gegeben, wozu Versetzungen, planare Defekte, aber auch Punktdefekte (Leerstellen) gehören. Die Idee dieses Projektes war nun, zu prüfen, ob es möglich ist, diese extrem hohe Verfestigung noch weiter zu verbessern. Hierzu wurde die sehr hohe Leerstellenkonzentration, die bei der HPT Verformung entsteht, genutzt. Bei leichter Erwärmung der Materialien können Leerstellen Agglomerate (Ansammlungen) bilden und so zu einer Härtung der Probe führen. Um das zu prüfen wurden verschiedene Metalle und Legierungen mit HPT verformt und anschließend isochron erwärmt und ihre Härte systematisch untersucht. Es stellte sich heraus, dass diese Idee ein voller Erfolg war. In verformtem Kupfer kann man eine zusätzliche Härtung von bis zu 8% erreichen, bei Nickel sogar bis zu 20%. Vor allem interessant waren die Ergebnisse in Mg mit einer Härtung von bis zu 17%, da dadurch die Idee entstand, auch eine biokompatible Mg-Legierung zu untersuchen. Die Festigkeit bei medizinisch nutzbaren Metallen spielt eine wichtige Rolle. Eine Möglichkeit die Härte noch zu erhöhen, ohne zusätzliche Legierungskomponenten zufügen zu müssen, ist in der Medizin von großem Interesse. Im Zuge dieses Projektes wurde die Härte der medizinisch verwendeten Mg-Zn-Ca Legierung nur durch zusätzliche Leerstellenhärtung um ganze 35% erhöht! Das ist eine sensationelle Entwicklung für biologisch nutzbare Metalle, die auf Grund der gesundheitlichen Aspekte nicht zusätzlich legiert werden können.