Warum Metalle fester werden

Die Forschungsarbeit erschien in Nature Materials (Ausgabe vom 5. Oktober von Nature Materials).

Bereits seit Jahrtausenden machen sich die Menschen die natürliche Eigenschaft von Metallen zunutze, fester zu werden, wenn man das Material mechanisch verformt. Die Mechanismen der Metallhärtung, die letztendlich von der Bildung und Bewegung von Versetzungen im kristallinen Metall herrühren, sind seit mehr als einem Jahrhundert ein zentrales Forschungsthema in der Metallurgie.

Das Forscherteam, an dem der Materialwissenschaftler Dr. Alexander Stukowski vom Fachgebiet Materialmodellierung der TU Darmstadt beteiligt war, führte aufwendige atomistische Computersimulationen auf einigen der weltweit stärksten Hochleistungsrechnern durch. Die verwendeten Modelle waren ausreichend groß, um die makroskopische Kristallplastizität statistisch repräsentativ zu erfassen, aber sie liefern dennoch die vollständige Auflösung, um die Ursprünge der Metallverfestigung auf ihrer grundlegendsten Ebene, nämlich der Bewegung von einzelnen Kristallatomen, zu untersuchen. Die Simulationen wurden auf den Supercomputern des Lawrence Livermore National Laboratory und der Argonne Laboratory Computational Facility in den USA durchgeführt.

Der Grund für die Verfestigung von Metallen blieb lange im Dunkeln, bis vor 86 Jahren erstmal theoretisch vorhergesagt wurde, dass Versetzungen – kurvenförmige Kristalldefekte, die durch Störungen des regelmäßigen Atomgitters entstehen – für Kristallplastizität verantwortlich sind. Aber auch wenn mittlerweile der kausale Zusammenhang zwischen Versetzungen und Kristallplastizität fest etabliert ist, hatte bislang kein Forscher direkt beobachten können, was solche Versetzungen in situ, also während der Verformung, im Inneren einer großen Metallprobe tun.