Ob in der Luft- und Raumfahrt oder bei Bauwerken und Maschinen für kalte Regionen: Für viele Anwendungen werden Metalle benötigt, die auch starkem Frost standhalten. Doch die meisten Stähle und Speziallegierungen haben genau da einen Schwachpunkt: Bei Kälte kann sich ihr Kristallgitter nicht mehr entlang sogenannter Versetzungen verschieben und deformieren. Dadurch werden sie spröde und Risse können sich im Material ungehindert ausbreiten.
Zwei Legierungen im ultrakalten Dehnungstest
Doch es geht offenbar auch anders: Forschende um David Cook von der University of California in Berkeley haben zwei Metalllegierungen identifiziert, die diese Sprödigkeit vermeiden und selbst bei extremen Minusgraden bruchfest bleiben. Es handelt sich dabei um eine Niob-Titan-Legierung (Nb70Ti30) und eine etwas komplexere Legierung aus Niob, Titan, Tantal und Hafnium (Nb45Ta25Ti15Hf15). Beide besitzen eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur (bcc), wie sie auch viele in Technik und Bauwerken verwendete Stähle und Metalllegierungen aufweisen.
Um ihre Legierungen zu testen, kühlten die Forschenden sie mithilfe von Helium auf bis zu 20 Kelvin – minus 253 Grad – ab. Dann unterzogen sie die Proben einem Dehnungstest, während sie deren Struktur und Stabilität mithilfe von Elektronenrückstreuung, Elektronenmikroskopie und Atomsondentomografie analysierten. Dadurch konnten sie präzise ermitteln, welchen Kräften die Metalle bei dieser Kälte noch standhalten und wie sich ihre Kristallstruktur durch die Belastung veränderte.
Keine Sprödigkeit bis minus 253 Grad
Es zeigte sich: Selbst bei Temperaturen von nur 20 Grad über dem absoluten Nullpunkt blieben die beiden Metalllegierungen erstaunlich stabil. „Was uns überrascht hat, ist, dass diese Legierungen selbst bei 20 Kelvin eine bemerkenswert hohe Widerstandsfähigkeit bewahren“, sagt Co-Autor Dong Liu von der University of Oxford. Die Niob-Titan-Legierung hielt bei minus 253 Grad noch einer Zugbelastung von 839 Megapascal stand, bevor sie brach. Bei der Niob-Titan-Tantal-Hafnium-Legierung waren es sogar 938 Megapascal, wie das Team ermittelte.
„Jahrzehntelang wurde der Übergang vom duktilen zum spröden Verhalten als eine grundlegende Einschränkung kubisch-raumzentrierter Metalle betrachtet“, sagt Liu. Doch bei diesen Metalllegierungen ließ sich selbst bei den niedrigsten Testtemperaturen kein messbarer Übergang zu sprödem Verhalten feststellen.
