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Direkteres Vorgehen Neues Wissen fördert die gezieltere Entwicklung von Werkstoffen

Quelle: TU Dresden 2 min Lesedauer

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Forscher haben eine Antwort auf die rätselhafte Tatsache gefunden, dass Kristallkörner in Metallen und Keramiken anders wachsen als bisher angenommen.

Neue Erkenntnisse aus Dresden über die Enstehung der Mikrostrukturen respektive Ausbildung des Kristallgefüges in Metallen und Keramiken werfen einige bestehende Meinungen über den Haufen. Hier mehr dazu ...(Bild: Dudakristalla)
Neue Erkenntnisse aus Dresden über die Enstehung der Mikrostrukturen respektive Ausbildung des Kristallgefüges in Metallen und Keramiken werfen einige bestehende Meinungen über den Haufen. Hier mehr dazu ...
(Bild: Dudakristalla)

Polykristalline Materialien bestehen aus vielen winzigen Kristallkörnern – sogenannten Grains – und sind allgegenwärtig, lassen die Forscher der technischen Universität Dresden (TUD) wissen. In Gesteinen finde man sie in der Natur nämlich ebenso, wie in Metallen und Keramiken aus dem Reich der technischen Anwendungen. Die Anordnung und Veränderung dieser Körner beeinflussen außerdem die Eigenschaften eines Materials entscheidend, heißt es dazu. Gemeint sind etwa Festigkeit, Verformbarkeit oder elektrische Leitfähigkeit. Das Verständnis dazu, was diese Veränderungen antreibt – insbesondere die Rolle innerer mechanischer Spannungen – sei der Schlüssel, um das Materialverhalten zu begreifen, wodurch man gezielter Werkstoffe mit diversen Wunscheigenschaften kreieren kann, so die Dresdener Forscher. Mithilfe theoretischer Modellierung und aufwändiger Computersimulationen zeigt das daran beteiligte Team nun, dass sogenannte Scherdeformationen und interne Spannungen, die beim Wandern von Korngrenzen entstehen, einen wesentlichen Einfluss auf die Entwicklung der Mikrostrukturen haben. Dieser Mechanismus – bekannt als „shear coupling“ – sorge dafür, dass das Kornwachstum bisher deutlich von den Vorhersagen klassischer Modelle abweichen könne.

Klassische Materialtheroien können grundlegend überarbeitet werden

Die neue Studie liefert jetzt aber eine stichhaltige Erklärung dafür, warum sich polykristalline Materialien oft anders verhalten als erwartet, wie man betont. Sie erschließe deshalb neue Wege, auf denen Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften entwickelt werden könnten – etwa um stabilere Metalle oder leistungsfähigere Elektronik zu schaffen. Darüber hinaus unterstreiche die Forschung, was kristalline Materialien von anderen Systemen (wie Schäumen oder Emulsionen) unterscheide – Letztere können nämlich elastische Verformungen im Inneren aufnehmen und speichern. Die Rolle innerer Spannungen bei der Mikrostrukturentwicklung polykristalliner Materialien zu verstehen, war von Beginn an ein zentrales Ziel der TUD-Forschung. Das Ganze begann bei der Entwicklung eines passenden Kontinuumsmodells und erstreckte sich bis hin zu ersten Untersuchungen zur Korngrenzenbewegung. Besonders spannend sei es gewesen zu sehen, dass man damit bisher nicht erklärbare experimentelle Beobachtungen einordnen und somit klassische Theorien grundlegend überarbeiten könne. Als Nächstes wollen die Experten untersuchen, wie diese Mechanismen mit plastischen Relaxationen (Entspannungen) innerhalb der Körner zusammenwirken, und ob sich ähnliche Effekte in Mehrkomponentenmaterialien finden lassen.

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