Einleitung: Das Versprechen der amorphen Metalle

Seit Jahrzehnten konzentriert sich das Streben nach fortschrittlichen Strukturmaterialien auf die Überwindung des Kompromisses zwischen Festigkeit und Zähigkeit. Kristalline Metalle können stark sein, aber oft spröde, während zähe Legierungen eine hohe Festigkeit haben. Betreten Sie metallische Gläser - auch bekannt als amorphe Legierungen -, die eine einzigartige Kombination aus hoher Festigkeit, elastischer Dehnungsgrenze (um 2 %, weit über kristalline Metalle hinaus) und ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit bieten. Ihre ungeordnete atomare Struktur, die durch schnelle Erstarrung aus dem flüssigen Zustand erreicht wird, beseitigt die für Kristalle typischen Korngrenzen und Versetzungen. Ihre Anwendung in tragenden Komponenten ist jedoch begrenzt durch Bedenken über katastrophale Versagen aufgrund begrenzter plastischer Verformung.

Was macht Metallic Glasses einzigartig?

Metallische Gläser werden durch Kühlen von geschmolzenen Legierungen mit Geschwindigkeiten von mehr als 105–106 K/s unter Umgehung der Kristallkeimbildung hergestellt. Dieser Prozess sperrt die Atome in einem ungeordneten, glasartigen Zustand - analog zur Struktur von Fensterglas, aber mit metallischer Bindung. Das resultierende Material zeigt isotrope Eigenschaften (gleich in allen Richtungen) und es fehlen die Defekte – Versetzungen, Schlickersysteme, Korngrenzen –, die die Verformung in herkömmlichen Legierungen dominieren. Stattdessen wird die Verformung durch Schertransformationszonen (STZs) und Scherbänder vermittelt, die stark lokalisierte Bereiche des plastischen Flusses sind. Dieser Mechanismus erklärt sowohl ihre beeindruckende Stärke (oft mehr als 1,5 GPa) als auch ihre Tendenz zum spröden Versagen: Sobald sich ein Scherband bildet, kann es sich schnell ausbreiten, was zu einem Bruch mit geringer plastischer Gesamtdehnung führt.

Das erste metallische Glas wurde 1960 von Duwez und Kollegen am Caltech unter Verwendung einer Gold-Silizium-Legierung synthetisiert. Seitdem haben Forscher eine große Familie von Zusammensetzungen entwickelt, darunter metallische Massengläser (BMGs) mit kritischen Gussdurchmessern von mehr als mehreren Zentimetern, wie z. B. solche auf der Basis von Zirkonium, Palladium und Platin. BMGs haben die Tür für praktische Anwendungen geöffnet, aber ihre Bruchfestigkeit bleibt eine wichtige Leistungsmetrik, die systematisch verstanden und konstruiert werden muss.

Haupteigenschaften von Metallic Glasses

  • Höhe Streckgrenze: Oft 2–3 mal stärker als entsprechende kristalline Legierungen.
  • Große elastische Dehnungsgrenze: ~2%, verglichen mit ~0,2% für typische kristalline Metalle.
  • Ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und hohe Härte.
  • Überlegene Korrosionsbeständigkeit aufgrund chemischer Homogenität und fehlender Korngrenzen.
  • Near-net-shape processing: kann durch thermoplastische Formgebung im unterkühlten Flüssigkeitsbereich gebildet werden.

Trotz dieser Vorteile weisen viele metallische Gläser eine begrenzte Zugdiffusion bei Raumtemperatur auf, wobei die Bruchdehnung oft weniger als 0,5 bis 2% beträgt. Diese Sprödigkeit ist eng mit ihrer Bruchzähigkeit verbunden. Die Herausforderung besteht daher darin, metallische Glaszusammensetzungen und Mikrostrukturen (einschließlich Komposite) zu entwickeln, die gleichzeitig eine hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit erzielen - eine Kombination, die in der Natur selten ist.

Die Grundlagen der Frakturhärte

Bruchzähigkeit (K1c] quantifiziert die Fähigkeit eines Materials, einem katastrophalen Risswachstum zu widerstehen. Sie wird definiert als der Spannungsintensitätsfaktor, bei dem ein bereits vorhandener Riss sich fortpflanzt. Bei linearen elastischen Materialien ist K1c eine geometrisch unabhängige Eigenschaft. Bei metallischen Gläsern, die oft eine gewisse Plastizität in der Nähe der Rissspitze aufweisen, werden manchmal Parameter der Bruchmechanik des elastischen Kunststoffs wie J1c (J-integral) oder die Öffnungsverschiebung der Rissspitze (CTOD) verwendet. Die Bruchzähigkeit metallischer Gläser kann sehr unterschiedlich sein, von Werten von nur 2 MPa√m (für sehr spröde Zusammensetzungen) bis zu über 100 MPa√m (für einige duktile BMG-Verbundwerkstoffe), die mit Hochleistungskristallinlegierungen wie hochfesten Aluminium- und Titanlegierungen konkurrieren.

Die amorphe Struktur beeinflusst die Rissinitiation und -ausbreitung in einer Weise, die sich von kristallinen Metallen unterscheidet. In Kristallen sind Rissspitzen stumpf durch Versetzungsemission und Plastizität, absorbierende Energie. In metallischen Gläsern konzentriert sich die plastische Verformung zu Scherbändern. Ein Scherband ist eine dünne (10-100 nm) Zone mit intensiver Scherspannung, die einer Streckungsoberfläche entspricht, aber ohne Arbeitshärtung. Wenn das Scherband sich stetig ausbreiten kann, kann es vor dem Bruch erhebliche plastische Spannungen aufnehmen; wenn es sich schnell in einen Riss lokalisiert, ist die Zähigkeit gering. Die Bruchzähigkeit von metallischen Gläsern wird daher durch den Wettbewerb zwischen Scherbandvermehrung oder -verzweigung und Scherbandinstabilität bestimmt.

Shear Bands: Der Schlüssel zur Härte

Wenn ein metallisches Glas beansprucht wird, sickern lokale atomare Umlagerungen (STZ) zu einem Scherband durch. Die Ausbreitung und das Festhalten dieser Bande bestimmen das Bruchverhalten. Faktoren, die das Mehrfachscherband fördern und das Weglaufen eines Einzelscherbandes unterdrücken, erhöhen die Zähigkeit:

  • Freies Volumen: Regionen mit überschüssigem Atomvolumen dienen als Standorte für die STZ-Aktivierung. Höheres freies Volumen kann diffuse Scherbanding fördern, aber auch Schäden beschleunigen, wenn sie übermäßig sind.
  • Spannungszustand: Triaxiale Einschränkung reduziert die Größe der Kunststoffzone, was zu einer spröden Fraktur führt; die Flächenspannungsbedingungen ermöglichen größere Kunststoffzonen und höhere Zähigkeit.
  • Temperatur: Die Erhöhung der Temperatur erhöht die atomare Mobilität, fördert eine umfangreichere Scherbandierung und Abstumpfung und erhöht somit die Zähigkeit. Einige BMGs weisen beim Abkühlen einen duktilen zu spröden Übergang auf.
  • [FLT: 0] Zusammensetzungsheterogenität: [FLT: 1] Die Einführung von duktilen Präzipitaten (die ein metallisches Glasverbundwerkstoff bilden) kann Scherbänder ablenken oder arretieren, was die Zähigkeit stark erhöht.

Ein grundlegender Durchbruch kam, als Forscher herausfanden, dass einige monolithische (einphasige) metallische Gläser eine überraschend hohe Bruchzähigkeit aufweisen können. Zum Beispiel zeigte ein BMG auf Platinbasis (Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5) J1c um 107 kJ/m2, entsprechend K1c über 80 MPa√m. Dies wurde auf ein hohes Poisson-Verhältnis (ν > 0,4) und eine starke Neigung zur Scherbandvermehrung statt Bruch zurückzuführen [1]. Solche Entdeckungen haben neue Designstrategien angespornt.

Methoden zur Analyse der Bruchhärte

Die genaue Messung der Bruchzähigkeit in metallischen Gläsern erfordert eine sorgfältige Probenvorbereitung und die Aufmerksamkeit auf die Geometrie, insbesondere wegen ihrer begrenzten Duktilität und Kerbempfindlichkeit.

1. Single-Edge-Kerbstrahl (SENB) Prüfung

Pionier für spröde Keramiken, wird der SENB-Test für metallische Gläser weit verbreitet. Ein rechteckiger Balken mit einem scharfen Vorriss (eingeführt durch Ermüdung oder durch kontrollierte Kompression) wird in Drei- oder Vierpunktbiegung belastet. Die Last-Weg-Kurve wird aufgezeichnet und K1c wird unter Verwendung der Spitzenlast und der Risslänge berechnet, vorausgesetzt, dass die Probe die Größenanforderungen für ebene Dehnungsbedingungen erfüllt. Bei metallischen Gläsern mit hoher Zähigkeit werden größere Proben benötigt, um gültige ebene Dehnung aufrechtzuerhalten; ansonsten spiegeln die Ergebnisse die ebene Belastung oder das Mischverhalten wider.

2. Compact Tension (CT) und Disk-Shaped Compact Tension (DCT)

Diese sind komplexer, erlauben aber die Prüfung größerer Volumina. Müdigkeitsvorrisse sind Standard. Die Last-Weg-Spur wird analysiert, um J1c über die Normierungsmethode zu bestimmen. CT-Proben werden üblicherweise für duktile BMGs verwendet.

3. Bruchfestigkeit des Eindringens

Für kleine Proben oder schnelles Sieben vieler Zusammensetzungen kann Vickers-Eindrückung verwendet werden. Ein scharfer Eindringer erzeugt einen plastischen Eindruck mit Rissen, die von den Ecken ausgehen. Risslänge und Eindringbelastung ergeben eine scheinbare Zähigkeit. Diese Methode ist jedoch semiempirisch und kann die Zähigkeit für metallische Gläser aufgrund des Fehlens eines scharfen Vorrisses und des Restspannungsfeldes überschätzen. Dennoch ist sie ein nützliches Vergleichswerkzeug.

4. In-Situ Fraktographie und Elektronenmikroskopie

Die postmortale Untersuchung von Frakturoberflächen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigt charakteristische Merkmale wie Venenmuster (indikativ für duktiles Versagen mit einer fluidähnlichen Meniskusinstabilität) und glatte Spiegelzonen (Charakteristik für sprödes Versagen). Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) kann Kompositionseffekte bewerten. Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) in der Nähe der Rissspitze kann Nanovoid-Bildung und Scherband-Wechselwirkungen aufdecken.

Fortgeschrittene Techniken wie die Synchrotron-Röntgentomographie während des Ladens ermöglichen nun eine 3D-Visualisierung der Rissausbreitung und der Scherbandentwicklung in Echtzeit und bieten beispiellose Einblicke [2].

Jüngste Fortschritte bei der Verbesserung der Frakturhärte

In den letzten zehn Jahren wurden bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von metallischen Gläsern mit außergewöhnlicher Bruchfestigkeit erzielt.

Kompositionsstimmung basierend auf Poissons Verhältnis

Untersuchungen von Lewandowski und Kollegen haben eine Korrelation zwischen Poisson-Verhältnis (ν) und der Bruchzähigkeit von metallischen Gläsern festgestellt. Zusammensetzungen mit ν > 0,4 sind tendenziell duktil und zäh, während solche mit ν < 0,33 spröde sind. Diese empirische Regel hat die Entwicklung neuer Legierungen, wie der oben erwähnten hohen Zähigkeit Pt-basierte BMG, geleitet. Legierungselemente, die den Schermodul gegenüber dem Volumenmodul reduzieren, fördern ein hohes Poisson-Verhältnis. Zum Beispiel kann die Zugabe von Edelmetallen (Pt, Pd, Au) oder bestimmten Übergangsmetallen die Zähigkeit erhöhen, wenn auch zu höheren Kosten.

Mikrostrukturdesign: Metallic Glas Composites

Eine der effektivsten Möglichkeiten, die Bruchzähigkeit zu erhöhen, besteht darin, eine zweite Phase - entweder duktile kristalline Dendriten oder Keramikpartikel - in die Glasmatrix einzuführen. Diese Verbundwerkstoffe, die oft als duktile kristalline Dendriten oder Keramikpartikel bezeichnet werden, nutzen die Idee der "architekturierten" Zähigkeit aus. Die kristalline Phase arretiert Scherbänder, zwingt zu Verzweigungen und delokalisierender plastischer Verformung. Das klassische Beispiel ist das von Hays, Kim und Johnson entwickelte BMG-Komposit auf Zr-Basis (Vitreloy 1 + β-Phase-Dendrite), das eine Zugdiflikativität von bis zu 10% und eine FLT: 2 J / m 2 über 100 kJ / m 2 aufweist.

Thermomechanische Behandlungen

Das Glühen unterhalb der Glasübergangstemperatur (strukturelle Entspannung) reduziert das freie Volumen und versprödet das Glas. Umgekehrt führt die Verjüngung - durch Prozesse wie starke plastische Verformung (z. B. Kaltwalzen, Hochdrucktorsion) oder kryogenes Radieren - überschüssiges freies Volumen ein, fördert die Scherbandvermehrung und erhöht die Zähigkeit. Studien haben gezeigt, dass kryogenes thermisches Radieren (alternierendes Eintauchen in flüssigen Stickstoff und Wasser) die Bruchzähigkeit einiger BMGs um bis zu 40% erhöhen kann [4]. Dies ist ein vielversprechender, kostengünstiger Weg.

Ein weiterer bemerkenswerter Fortschritt ist die Entdeckung von FLT:0, einer "Toughness Enhancement by Controled Crystalation" . Nanokristallite (5-20 nm), die in der amorphen Matrix dispergiert sind, können als Hindernisse für die Scherbandausbreitung dienen, ähnlich wie Komposite.

Implikationen für zukünftige Anwendungen

Die Fähigkeit, Bruchzähigkeit in metallischen Gläsern zu entwickeln, erweitert ihr Potenzial über Nischenbereiche hinaus (z. B. Golfschlägerköpfe, Handygehäuse und elektronische Gehäuse) in anspruchsvolle strukturelle Rollen:

  • Luft- und Raumfahrt und Verteidigung: Leichte, hochfeste und korrosionsbeständige Befestigungselemente, Federn und Panzerungspaneele.
  • Biomedizin: Biokompatible metallische Gläser (z.B. Mg- und Zr-basiert) für Knochenschrauben, Stents und chirurgische Instrumente, mit einer Zähigkeit, die ausreicht, um ein sprödes Versagen zu vermeiden.
  • Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) und Mikrogetriebe: Hohe Streckgrenze und elastische Dehnung machen sie ideal für kleine, hochbelastete Komponenten.
  • Verschleissbeschichtungen: Durch thermisches Sprühen oder Sputtern aufgebracht, können zähe metallische Glasbeschichtungen Turbinenschaufeln und Schneidwerkzeuge schützen.

Jede Anwendung erfordert ein spezifisches Gleichgewicht zwischen Zähigkeit und anderen Eigenschaften. Biomedizinische Implantate erfordern beispielsweise eine Kombination aus hoher Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität - eine Herausforderung, der sich Forscher stellen, indem sie mit ungiftigen Elementen wie Ti, Nb, Ta und Zr legieren.

Zu den gegenwärtigen Herausforderungen bei der Fertigung gehören die begrenzte Größe von BMGs (kritische Gussdicke) und die hohen Kosten bestimmter Legierungselemente, aber der kontinuierliche Fortschritt bei den Verarbeitungsmethoden, wie der additiven Fertigung (selektives Laserschmelzen von Pulver) und der thermoplastischen Formgebung, verspricht die Herstellung großer, netzförmiger Teile mit einheitlichen Eigenschaften [5].

Fazit: Der Weg nach vorn

Bruchzähigkeit ist die entscheidende Eigenschaft, die bestimmen wird, ob metallische Gläser von Laborkuriositäten zu zuverlässigen technischen Materialien übergehen. Das Verständnis, dass die Scherbanddynamik, Poissons Verhältnis, freies Volumen und mikrostrukturelle Heterogenität die Zähigkeit bestimmen, hat zur Entwicklung von Zusammensetzungen und Kompositen geführt, die mit den besten kristallinen Legierungen konkurrieren. Fortgeführte Forschung - insbesondere zu den atomaren Mechanismen des Scherbandarrests, der Rolle der Kurzstreckenordnung und den Auswirkungen der Verarbeitungsgeschichte - wird den Designraum weiter erweitern. Mit fortschrittlichen Charakterisierungswerkzeugen und Computermodellierung (z. B. Molekulardynamik und maschinelles Lernen) hält die Zukunft das Versprechen von metallischen Gläsern, die auf extreme Zähigkeit zugeschnitten sind und leichte, langlebige und korrosionsbeständige Strukturen ermöglichen, die einst als unmöglich angesehen wurden.

Durch die systematische Analyse und Verbesserung der Bruchfestigkeit verbessern wir nicht nur einen Parameter; wir erschließen das volle Potenzial einer revolutionären Klasse von Materialien.

Referenzen und weitere Lesung

[1] Schroers, J., & Johnson, W. L. (2004). Ductile bulk metallic glass. Physical Review Letters, 93(25), 255506. Link

[2] Hufnagel, T. C., Schuh, C. A., & Falk, M. L. (2016): Deformation of metallic glasses: Recent developments in theory, simulations, and experiments. Acta Materialia, 109, 375-393. DOI

[3] Hays, C. C., Kim, C. P., & Johnson, W. L. (2000): Microstructure controlled shear band pattern formation and enhanced plasticity of bulk metallic glasses containing in situ formed ductile phase dendrite dispersions. Physical Review Letters, 84(13), 2901. Link

[4] Ketov, S. V., et al. (2015). Rejuvenation of metallic glasses by non-affine thermal strain. Nature Communications, 6, 10485. Link

[5] Pauly, S., et al. (2013): Processing metallic glasses by selective laser melting. Materials Today, 16(1-2), 37-41. DOI