Warum sind Refraktärmetalle für industrielle Anwendungen so wichtig?

Bei der Lösungshärtung wird das Material auf eine Temperatur erhitzt, bei der alle Lösungselemente in eine einphasige Lösung übergehen. Zum Beispiel wird bei einer Legierung mit einer bestimmten Zusammensetzung das Material auf eine Temperatur T₀ erhitzt, die innerhalb des α-Phasenbereichs liegt, und dort verbleibt, bis alle B-Phasen aufgelöst sind. Die Legierung besteht dann nur noch aus der α-Phase, die mit B-Atomen übersättigt ist. Nach der schnellen Abkühlung (Quenching) wird die Legierung in einem metastabilen Zustand gehalten, der keine Zeit für die Diffusion von Atomen lässt, was die Bildung der β-Phase verhindert. Diese rasche Abkühlung führt zu einer relativ weichen und schwachen Legierung, die jedoch eine hohe Konzentration von B-Atomen in der α-Phase enthält.

Es ist jedoch zu beachten, dass die Festigkeit und Härte einer Legierung mit der Zeit zunehmen, bis ein Maximum erreicht ist. Danach kommt es aufgrund von übermäßiger Ausscheidung und Partikelwachstum zu einer Schwächung der Legierung, was als "Überalterung" bezeichnet wird. Dieser Effekt tritt besonders bei längeren Alterungszeiten auf. Die Form der Partikel und ihre Größe beeinflussen maßgeblich die mechanischen Eigenschaften der Legierung. Die optimale Festigkeit wird erreicht, wenn die Übergangsphasen, die während der Alterung entstehen, die ideale Größe erreicht haben. Das ideale Temperaturniveau und die Zeitdauer für die Behandlung sollten darauf ausgelegt sein, die maximalen Festigkeitswerte zu erzielen und eine Überalterung zu vermeiden.

Dabei ist $n$ die Ordnung der Reflexion, die eine ganze Zahl sein muss, die mit dem Sinuswert von $\theta$ kompatibel ist (der Winkel, unter dem die Diffraction stattfindet). Für eine konstruktive Interferenz, bei der die Intensität des reflektierten Strahls maximal ist, muss diese Gleichung erfüllt sein. Wird das Bragg’sche Gesetz nicht eingehalten, erfolgt eine destruktive Interferenz, was zu einer sehr schwachen oder gar nicht wahrnehmbaren Intensität des diffraktierten Strahls führt.

$$d_{hkl} = \frac{a}{\sqrt{h^2 + k^2 + l^2}}$$

Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass das Bragg'sche Gesetz zwar eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für die Diffusion von Röntgenstrahlen durch reale Kristalle darstellt. Es berücksichtigt nur solche Kristallstrukturen, bei denen die Atome an den Ecken der Einheitszelle positioniert sind. In realen Kristallen, insbesondere bei Kristallen mit höherer Symmetrie wie der kubischen Flächenzentrierten (FCC) oder der kubischen Körperzentrierten (BCC) Struktur, befinden sich die Atome auch an anderen Positionen innerhalb der Einheitszelle. Diese Atome fungieren als zusätzliche Streuzentren und können die Streuung in Phasenverschiebung bringen, was in bestimmten Fällen dazu führen kann, dass Diffusionsmaxima fehlen, obwohl sie nach dem Bragg’schen Gesetz erwartet würden.

Ein gängiges Verfahren zur Bestimmung von Kristallstrukturen ist die Röntgendiffraktometrie. Bei dieser Methode wird eine pulverisierte oder polykrystallinische Probe, die viele kleine, zufällig orientierte Kristallkörner enthält, einer monochromatischen Röntgenstrahlung ausgesetzt. Jedes dieser Körner ist ein Kristall, und die Zufallsausrichtung sorgt dafür, dass alle möglichen Kristallflächen zur Diffusion verfügbar sind. Der Diffaktometer misst die Intensität der diffraktierten Strahlen in Bezug auf den Winkel $2\theta$, wobei dieser Winkel durch die Rotation der Probe und des Detektors aufeinander abgestimmt wird.

Ein praktisches Beispiel für den Einsatz dieser Methode wäre die Bestimmung des Gitterparameters und der Geometrie der Einheitszelle eines Kristalls, die durch die Positionen der Diffusionsspitzen ermittelt werden können. Die Intensitäten dieser Spitzen wiederum liefern Informationen über die atomare Anordnung innerhalb der Einheitszelle. Darüber hinaus können Röntgenstrahlen auch verwendet werden, um die Orientierung von Einkristallen zu bestimmen oder qualitative und quantitative chemische Analysen durchzuführen.

Die Analyse von Diffusionsmustern ist ein wichtiger Bestandteil vieler Materialuntersuchungen. Sie erlaubt nicht nur Rückschlüsse auf die Struktur des Kristalls, sondern auch auf mögliche Fehler oder Spannungen innerhalb des Materials. Ein Beispiel hierfür ist das Phänomen der Restspannungen, die in Materialien durch unterschiedliche Verarbeitungsschritte entstehen können und sich auf die physikalischen Eigenschaften auswirken.

Zusätzlich zur Bestimmung der Struktur bietet die Röntgendiffraktometrie die Möglichkeit, gezielt nach Fehlern in Kristallen zu suchen. Fehler wie Versetzungen oder Diskontinuitäten in der Kristallstruktur beeinflussen die Diffusion und können oft durch spezifische Abweichungen im Diffusionsmuster sichtbar gemacht werden. So kann der Forscher auf die Existenz von Defekten schließen, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu erkennen sind. Auch die Entstehung von Mikrostrukturen während der Kristallisation kann mithilfe dieser Technik analysiert und verstanden werden.

Ein weiteres wichtiges Konzept ist die Rolle der Wellenlänge der Röntgenstrahlen. Unterschiedliche Wellenlängen können unterschiedliche Tiefen im Material penetrieren, was die Wahl der richtigen Strahlungsquelle für eine bestimmte Analyse entscheidend macht. In der Praxis bedeutet dies, dass für verschiedene Materialien und Anforderungen die Auswahl der richtigen Wellenlänge und die entsprechende Kalibrierung der Geräte von großer Bedeutung sind. Die Genauigkeit der Messungen hängt nicht nur von der Qualität der Kristallprobe ab, sondern auch von der Präzision, mit der der Diffaktometer und die Messinstrumente kalibriert sind.

Wie beeinflusst die Bewegung von Versetzungen die plastische Verformung von Metallen?

Die plastische Verformung von Kristallen, insbesondere von Metallen, erfolgt durch die Bewegung von Versetzungen, die als Störungen im atomaren Gitter eines Materials beschrieben werden. Diese Versetzungen, die in verschiedenen Formen existieren können, wie beispielsweise als Kanten- oder Schraubenversetzungen, sind für die meisten Deformationsprozesse in Metallen verantwortlich.

Die Bewegung einer Schraubenversetzung unterscheidet sich von der einer Kantenversetzung. Während bei der Kantenversetzung die Bewegung parallel zur Scherspannung erfolgt, ist die Bewegung einer Schraubenversetzung senkrecht zur Scherspannung. Trotzdem führen beide Arten von Versetzungsbewegungen zur gleichen Art von plastischer Verformung. Eine gemischte Versetzung, bei der die Bewegung weder vollständig parallel noch senkrecht zur angewandten Spannung erfolgt, hat eine Bewegung, die in beide Richtungen zeigt und somit in einem Zwischenbereich liegt.

Die Dichte der Versetzungen in einem Material ist ein entscheidender Faktor für dessen mechanische Eigenschaften. Die Versetzungsdichte bezeichnet die Anzahl der Versetzungen, die in einer bestimmten Volumeneinheit vorhanden sind. In frisch erstarrten Metallen ist diese Dichte typischerweise gering (etwa 10^3 Versetzungen pro mm²). Bei stark verformten Metallen kann die Dichte jedoch auf Werte von bis zu 10^10 Versetzungen pro mm² ansteigen. Diese Versetzungen entstehen nicht nur durch die anfängliche Kristallisation, sondern auch durch plastische Verformung und thermische Spannungen, die beispielsweise durch schnelles Abkühlen des Materials entstehen.

Es ist wichtig zu verstehen, dass Versetzungen nicht nur mechanische Defekte sind, die das Material schwächen können, sondern auch eine Rolle bei den Festigkeitsmechanismen von Metallen spielen. Wenn Metalle plastisch verformt werden, bleibt ein Teil der deformierenden Energie als innere Spannungsenergie in Form von Versetzungen im Material gespeichert. Dies erklärt, warum stark verformte Materialien eine höhere Festigkeit aufweisen – die Versetzungen behindern sich gegenseitig in ihrer Bewegung, was zu einer erhöhten Widerstandsfähigkeit des Materials führt.

Die Wechselwirkungen zwischen Versetzungen sind nicht nur von Bedeutung für die Festigkeit eines Metalls, sondern auch für die Entstehung neuer Versetzungen. Durch die plastische Verformung steigt die Anzahl der Versetzungen erheblich an. Dies geschieht durch die Multiplikation bestehender Versetzungen sowie durch das Entstehen neuer Versetzungen an Orten, an denen Stresskonzentrationen wie Korn- oder Oberflächenfehler existieren.

Die unterschiedlichen Versetzungsarten, ihre Bewegungen und Interaktionen sind entscheidend für das Verständnis, wie Metalle auf äußere Kräfte reagieren und wie ihre mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Zähigkeit beeinflusst werden können. Besonders bei der Verarbeitung von Metallen, sei es durch Schmieden, Walzen oder Ziehen, ist die Kontrolle der Versetzungsdichte und der Versetzungsbewegungen von zentraler Bedeutung.