Onderzoekers krijgen meer inzicht in rol van koolstofatomen in staal

Koolstofatomen spelen een belangrijke rol in de sterkte van staal. Maar zelfs bij staalsoorten die al decennia in gebruik zijn, is het collectieve gedrag van deze atomen nog niet volledig begrepen. De Ruhr Universiteit Bochum (RUB) en het Max Planck Instituut voor IJzeronderzoek (MPIE) hebben het samenspel tussen de koolstofatomen, de vervorming van het kristalrooster dat daardoor wordt veroorzaakt en de roosterconstructiefouten in het staal in kaart gebracht. Met dit inzicht kan de productie van zeer sterke materialen nauwkeuriger worden gecontroleerd.

De belangrijkste componenten van staal zijn de elementen ijzer en koolstof. Doorslaggevend voor de sterkte van dit materiaal is niet in de eerste plaats de mengverhouding, maar de verdeling van de koolstofatomen. Nemen de koolstofatomen na de staalproductie een bepaalde positie in, dan spreekt men van martensiet. Decennia lang hebben de details van de vorming van deze structuur onderzoekers echter in verwarring gebracht: tot een bepaalde koolstofconcentratie hopen de koolstofatomen om energetische redenen zich op aan grensvlakken en ontstaan er defecten in het rooster van de ijzeratomen. Als de koolstofconcentratie boven een bepaalde waarde komt, wordt bij dergelijke defecten de overmaat aan koolstofatomen niet meer aangetroffen, terwijl er nog wel voldoende ruimte zou zijn. Daarentegen worden de koolstofatomen op een bepaalde, ordelijke manier verdeeld in het kristalrooster. “De afstand tussen de koolstofatomen in het rooster is dan eigenlijk veel te groot om de structuur chemisch te rechtvaardigen”, zegt Dr. Jutta Rogal van het RUB’s Interdisciplinair Centrum voor Advanced Materials Simulation Icams. Het interdisciplinaire team heeft na lang onderzoek ontdekt waarom de koolstofatomen zich zo gedragen in het kristalrooster.

Twee aspecten 

De kanteling tussen de ophoping van koolstofatomen bij defecten naar een ordelijke plaatsing in het kristalrooster wordt veroorzaakt door sterk anharmonische vervormingen van de roostermatrix in bepaalde kristallografische richtingen. “Als de koolstofconcentratie te laag is voor sterke vervormingen, is het het minst energie-intensief om grenzen of defecten te bezetten”, legt Dr. Tilmann Hickel van het Max Planck Institute for Iron Research (MPIE) uit. “Bij een bepaalde concentratie is er echter een collectief effect van de atomen, omdat deze toestand gepaard gaat met een afname van het chemische potentieel – wat overeenkomt met de wetten van de thermodynamica na het minimaliseren van energie.”

Dus als je de processen van materiaalproductie wil beheersen, moet je deze basisprincipes kennen in hun complexe context. “We moeten de energie van het hele systeem in de gaten houden als een functie van druk en temperatuur, maar ook de energetica van de individuele deeltjes in het systeem”, vat Prof. Dr. Jörg Neugebauer van MPIE samen. Alleen op deze manier is het onderzoeksteam erin geslaagd de theoretische voorspellingen te verzoenen met in experimenten gemeten gegevens.

Lees het hele onderzoek in het tijdschrift Nature Materials.