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Werkstoff-Forschung Was macht Eisen bei hohen Temperaturen stabil?

| Autor / Redakteur: Fritz Körmann, Tilmann Hickel, Yasmin Ahmed Salem / Jörg Kempf

Seit langem beschäftigen sich Materialwissenschaftler mit dieser Frage, die sowohl für die Stahlherstellung als auch dessen Verarbeitung von immenser Relevanz ist. Nun sind Forscher mit völlig neuen theoretischen Ansätzen und aufwändigen experimentellen Untersuchungen dieser Frage auf den Grund gegangen. Die neuen Einblicke bilden eine Grundlage für das Design neuer Hochtemperatur-Stähle.

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Atomare Schwingungen und magnetische Anregungen beeinflussen die Stabilität von Stählen bei hohen Temperaturen. Für die Vollansicht bitte klicken.
Atomare Schwingungen und magnetische Anregungen beeinflussen die Stabilität von Stählen bei hohen Temperaturen. Für die Vollansicht bitte klicken.
(Bild: Max-Planck-Institut für Eisenforschung)

Düsseldorf – Eisen gehört zu den kristallinen Materialien, das heißt die Eisenatome sind in einem Gitter angeordnet und weisen eine bestimmte Struktur auf. Mit zunehmender Temperatur beginnen die Atome um ihre Plätze im Gitter mehr und mehr zu schwingen, ähnlich den Saiten einer Geige, die stärker gestrichen oder gezupft werden – Wissenschaftler sprechen hier von Gitterschwingungen. Bei Stählen, die überwiegend aus magnetischen Eisenatomen bestehen, existieren neben diesen atomaren Schwingungen auch magnetische Anregungen. Hierfür kann man sich jedes Eisenatom als kleinen Magneten vorstellen, der bei hohen Temperaturen seine Ausrichtung umdreht und ähnlich wie das Schließen von Flötenventilen durch den neuen Zustand für ganz eigene ‚Klänge‘ in einem solchen Duett sorgt.

Auf der Suche nach Harmonie

Seit langer Zeit wird vermutet, dass die Stabilität von Eisen bei hohen Temperaturen durch eine Kopplung der atomaren Schwingungen und magnetischen Anregungen realisiert wird. Auch in einem Orchester spielen Streicher und Bläser nicht unabhängig voneinander, sondern suchen ganz gezielt Resonanzen und Harmonien. Bisher war es aber weder experimentell noch theoretisch möglich, solchen atomaren Symphonien ‚zuzuhören‘.

Eine am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) neu entwickelte Methode, die Konzepte aus verschiedensten Zweigen der theoretischen Physik miteinander verbindet, erlaubt es den Forschern nun erstmals den gegenseitigen Einfluss der beiden atomaren Symphoniker über den kompletten Temperaturbereich zu bestimmen.

„Es wurde schon seit einiger Zeit spekuliert, dass die strukturelle Stabilität von Eisen eng verknüpft ist mit einer Wechselwirkung zwischen den magnetischen Anregungen und der atomaren Bewegung. Es freut uns sehr, dass wir nun diese Kopplung beschreiben können und darüber hinaus unsere theoretischen Vorhersagen auch mit den Messungen unserer experimentellen Kollegen vom California Institute of Technology (Caltech) übereinstimmen“, so Fritz Körmann, Wissenschaftler der Abteilung Computergestütztes Materialdesign am MPIE. Dabei zeigte sich dieser, in der Physik als Magnon-Phonon-Wechselwirkung bezeichnete Einfluss als unerwartet stark und entscheidend für die Stabilität von Stählen bei mehreren 100 °C.

Die theoretischen Vorhersagen der Wissenschaftler am MPIE wurden durch ein Team von Caltech-Wissenschaftlern experimentell untermauert. Hierfür wurden am renommierten Argonne National Laboratory in den USA Röntgenstrahlexperimente durchgeführt und detailliert ausgewertet.

Das Ergebnis beeindruckte auch Brent Fultz, Leiter der experimentellen Studie und Professor für Materialwissenschaften und angewandte Physik am Caltech: „Typischerweise nehmen wir an, dass die Wechselwirkung zweier unabhängiger Prozesse klein ist. Die detaillierte Analyse der Messungen zur Bestimmung der interatomaren Kräfte zeigt uns, wie stark die Gitterschwingungen durch den Magnetismus beeinflusst werden. Dies wurde sogar noch beeindruckender durch die Computersimulationen gezeigt, bei denen es möglich ist die Wechselwirkung an- und auszuschalten.“

Warum die neuen Einblicke in die Wechselwirkungen und die thermodynamische Stabilität von Eisen eine Grundlage für die systematische Weiterentwicklung und das Design neuer Hochtemperatur-Stähle bilden, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

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