Härtung durch verformungs-ind. Leerstellen in SPD Nanometallen

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.