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Warum widerstehen manche Metalle der Verformung? Das Geheimnis von Cottrells Atmosphäre lüften!
In der Materialwissenschaft wurde das Konzept der Cottrell-Atmosphäre erstmals 1949 von A. H. Cottrell und B. A. Bilby vorgeschlagen, um zu erklären, wie Versetzungen in bestimmten Metallen durch Zwischengitteratome wie Bor, Kohlenstoff oder Stickstoff fixiert werden. Dieses Phänomen tritt bei Materialien mit kubisch-raumzentrierter (BCC) oder kubisch-flächenzentrierter (FCC) Struktur auf, wie etwa bei Eisen oder Nickel, wo kleine Fremdatome vorhanden sind. Diese Zwischengitteratome verzerren das Gitter leicht und erzeugen darum herum ein entsprechendes Restspannungsfeld. Dieses Spannungsfeld wird gemindert, wenn die interstitiellen Atome in Richtung der Versetzung diffundieren, und so bleiben die Atome, nachdem sie in den Versetzungskern diffundiert sind, für lange Zeit bestehen und bilden die Cottrell-Atmosphäre.
Die Ansammlung dieser interstitiellen Atome kann die Energie der Versetzung wirksam verringern und gleichzeitig die weitere Bewegung der Versetzung behindern. Somit wird die Versetzung durch die Cottrell-Atmosphäre „fixiert“.
Die Cottrell-Atmosphäre hat auch einen wichtigen Einfluss auf das mechanische Verhalten von Materialien. Die Fixierung der Versetzung führt dazu, dass sich die Versetzung bei Raumtemperatur nicht leicht lösen lässt und somit die obere Streckgrenze im Spannungs-Dehnungs-Diagramm beobachtet wird. Ab dieser oberen Streckgrenze werden die gehefteten Versetzungen zu Frank-Read-Quellen und erzeugen neue, nicht befestigte Versetzungen, die sich frei bewegen können, was zu einer plastischeren Verformung des Materials führt. Nach einer Alterungsbehandlungsphase wird die obere Streckgrenze wiederhergestellt, da die Atome erneut in den Kern der Versetzung diffundieren. Daher kommt es in der Cottrell-Atmosphäre auch zur Ausbildung der Lüders-Zone, die bei der Tiefstreckung und der Herstellung großer Bleche zu einem Fertigungshindernis wird.
Um die Auswirkungen der Cottrell-Atmosphäre zu eliminieren, werden bei einigen Spezialstählen alle Zwischengitteratome entfernt. Diese Stähle, wie beispielsweise lückenloser Stahl, werden entkohlt und es wird eine kleine Menge Titan hinzugefügt, um Stickstoff zu entfernen.
Untersuchungen haben gezeigt, dass die Cottrell-Atmosphäre und der dadurch verursachte Viskositätswiderstand ein wichtiger Faktor bei der Hochtemperaturverformung ist, der die Versetzungsbewegung erschwert.
Äußerst wichtig ist auch der Einfluss der Cottrell-Atmosphäre auf das Materialverhalten bei hohen Äquivalenttemperaturen. Wenn das Material Kriechbedingungen ausgesetzt ist, führt die mit der Cottrell-Atmosphäre einhergehende Versetzungsbewegung zu einem Widerstand, der den Prozess der plastischen Verformung verlangsamt. Diese Widerstandskraft F_drag kann unter bestimmten Bedingungen wie folgt dargestellt werden:
F_Widerstand = (kTΩ) / (vD_sol) ∫ (J⋅J/c)dA
Hier ist D_sol die Diffusivität der gelösten Atome im Grundmaterial, Ω das Atomvolumen, v die Versetzungsgeschwindigkeit, J die Diffusionsflussdichte und c die Konzentration des gelösten Stoffes. Das Vorhandensein der Cottrell-Atmosphäre und der Einfluss des Viskositätswiderstandes erwiesen sich im Hochtemperatur-Deformationsprozess unter mäßiger Spannung als entscheidend und nahmen auch einen Platz in der Degradationskategorie des Potenzgesetzes ein.
Ähnliches Phänomen
Obwohl es sich bei der Cottrell-Atmosphäre um einen universellen Effekt handelt, treten ähnliche Mechanismen auf, wenn speziellere Bedingungen vorliegen. Der Suzuki-Effekt äußert sich beispielsweise in der Segregation von gelösten Molekülen hin zu Stapeldefekten. Wenn sich in kubisch-flächenzentrierten Systemen eine Versetzung in zwei Teilversetzungen aufspaltet, bilden sich zwischen den beiden Teilen hexagonal dicht gepackte, gestapelte Defekte. H. Suzuki sagte voraus, dass die Konzentration der gelösten Atome an dieser Grenze eine andere sei als im Volumen, und dass daher das Durchqueren des Feldes dieser gelösten Atome auch einen erhöhten Widerstand gegen Versetzungsbewegungen erzeugen würde, ähnlich dem Effekt der Cottrell-Atmosphäre.
Darüber hinaus ist der Snoek-Effekt mit der inneren Reibung verbunden, die durch die kurzreichweitige Migration von interstitiellen gelösten Atomen im α-Fe-Gitter bei Belastung entsteht, ein Effekt, der auch bei Porter oder anderen Legierungsmaterialien ausgeprägt ist und die Materialfestigkeit und Zähigkeit.
Materialien und Möglichkeiten für zukünftige Erkundungen
In Materialien wie Metallen und Halbleitermaterialien (z. B. Siliziumkristallen) gibt es Versetzungen, die durch die Cottrell-Atmosphäre beschrieben werden, ein Phänomen, das für die Verformungsbeständigkeit von Metallen und ihre Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist. Durch eingehende Forschungen zum Materialverhalten kann in Zukunft das Anwendungspotenzial der Cottrell-Atmosphäre bei der Entwicklung neuer Materialien ausgelotet und es können noch fortschrittlichere Legierungen zur Optimierung der Materialeigenschaften entwickelt werden.
Wie genau wird die Materialwissenschaft der Zukunft das Wissen über die Cottrell-Atmosphäre nutzen, um die Eigenschaften und die Zähigkeit von Metallen zu verbessern?
