Bildung metastabiler Phasen in unterkühlten Eisen-Nickel-Schmelzen



Die Erforschung von Eisen-Nickel-Legierungen ist Grundlage für das Verständnis von Stählen und anderer Eisen-Legierungen sowie für das Studium von eisenhaltigen Meteoriten. Eisen-Nickel-Legierungen sind ideale Modellsysteme zur Erforschung von Umwandlungsvorgängen der Kristallstruktur (der so genannten Phasentransformation) in häufig verwendeten kommerziellen Stählen und weichmagnetischen Materialien.

In terrestrisch durchgeführten Experimenten werden Eisen-Nickel-Schmelzen durch elektromagnetische Wechselfelder schwebend und ohne Behälter prozessiert. Dabei bildet sich in Abhängigkeit von der Unterkühlung der Schmelze und der Legierungszusammensetzung eine spezifische unstabile Kristallstruktur (metastabile Phase) aus.

Entsprechende Schwebeschmelz-Experimente in Schwerelosigkeit wurden bereits auf Parabelflügen und  an Bord des Space Shuttle Columbia durchgeführt. Sie zeigten einen starken Einfluss der Schwerelosigkeitsbedingung auf die Unterkühlungstemperatur, die zur Ausbildung der metastabilen Phase führt. So wurde beispielsweise für eine weichmagnetische Legierung aus Eisen und Kobalt eine Verringerung dieser kritischen Unterkühlung von etwa -90 Grad Celsius unter terrestrischen Bedingungen auf zirka -40 Grad Celsius unter Schwerelosigkeit beobachtet. Außerdem erhöhte sich die Lebensdauer der metastabilen Phase.

Ähnliche Effekte werden bei dem Parabelfugexperiment für Eisen-Nickel-Legierungen erwartet. Die kritische Unterkühlungstemperatur beträgt unter terrestrischen Bedingungen wahrscheinlich weniger als 150 Grad Celsius. Diese Temperatur kann in der kurzen Phase der Schwerelosigkeit erreicht werden. Aus dem Temperatur-Zeit-Verhalten werden typische Erstarrungs-Geschwindigkeiten ermittelt. Die direkte Messunge mit einer hoch auflösenden Photodiode liefert Informationen zur Auswahl der erstarrenden Phasen in unterkühlten Schmelzen und damit zum so genannten. metastabilen Phasendiagramm. Die Gefüge der erstarrten Probe werden untersucht, um die magnetischen und mechanischen Eigenschaften der Legierung verbessern zu können. Außerdem soll mit dem Experiment die Gültigkeit der bisherigen Hypothesen für eine weite Klasse von weichmagnetischen Materialien nachgewiesen werden.


Kontakt
Dr. Regina Hermann
IFW Dresden

Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung

Tel: +49 351 4659-646

E-Mail: r.hermann@ifw-dresden.de
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