Es klingt verrückt, aber es stimmt: manchmal werden Metalle fester, wenn sie Nichts enthalten. Oder genauer gesagt, wenn sie winzige Löcher haben.

Um das zu verstehen, müssen wir einen kurzen Blick darauf werfen, wie Metalle sich plastisch verformen. Ausführlich habe ich das schon vor längerer Zeit erklärt, deswegen gibt es hier nur eine Kurzfassung:

Metalle enthalten immer Störungen, die man Versetzungen nennt. An diesen Störstellen ist das Kristallgitter eben gestört, wie zum Beispiel in diesem Bild:

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Die gelbe Linie zeigt die Linie der Störung, eben die Versetzung. Versetzungen können sich relativ leicht durch den Kristall bewegen und scheren dabei Atome oberhalb der Versetzungslinie gegen Atome darunter ab. Wenn eine Versetzung durch einen Kristall läuft, dann sorgt sie damit für eine winzig kleine plastische Verformung, also eine Verformung, die bleibt, auch wenn man die Last wegnimmt.

Wenn ihr den atomaren Mechanismus dahinter verstehen wollt, folgt einfach dem Link oben. Wie so oft in der Wissenschaft muss man aber gar nicht immer zurück zur fundamentalen Erklärungsebene – man kann sich die Versetzung auch modellhaft als eine Linie vorstellen, die sich durch den Kristall bewegt, wenn eine Kraft auf sie wirkt, ein bisschen so, als würde man einen Faden durch ein Glas mit Honig ziehen. (Wieder mal ein gutes Beispiel für das Denken in Modellen.)

Ein Metall enthält ziemlich viele solcher Versetzungen – wenn man alle Versetzungslinien in einem Kubikzentimeter eines stark verformten Metalls aneinanderreihen würde, käme man etwa einmal von der Erde zum Mond und wieder zurück. Hier seht ihr mal ein Simulationsbild der Versetzungen in einem Metall (die Details sind nicht so wichtig, hier geht es nur darum, dass ihr das Gewusel erkennt):

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Legt man an ein Metall eine mechanische Spannung an (indem man zum Beispiel dran zieht), dann bewegen sich die Versetzungen, wenn die Spannung groß genug ist und scheren das Metall ab. Das passiert beispielsweise, wenn ihr einen Draht oder eine Büroklammer verbiegt.

Dabei entstehen übrigens auch neue Versetzungen – und weil sich die Versetzungen gegenseitig im Weg sind und sich behindern, wird das Metall an dieser Stelle fester. Deswegen ist es auch leicht, einen geraden Draht krumm zu biegen, aber gar nicht so leicht, ihn wieder geradezubekommen – genau da, wo man zurückbiegen müsste, ist das Material fester als drum herum, deswegen biegt es sich meist eher an anderen Stellen.

Wenn ihr besonders feste Metalle herstellen wollt, die sich also nicht so leicht plastisch verformen, dann müsst ihr die Versetzungen an ihrer Bewegung hindern. Sich dafür Tricks einfallen zu lassen, ist letztlich eines der Hauptbetätigungsfelder für MaterialwissenschaftlerInnen. Es gibt verschiedene solcher Mechanismen (das Metall vorzuverformen ist einer, den wir gerade gesehen haben), von denen wir jetzt aber nur einen einzigen brauchen.

Auch wenn wir sie uns nicht auf der atomaren Ebene angucken – die Versetzungen laufen innerhalb des Kristallgitters. Kleine Teilchen mit einer anderen Kristallstruktur können deshalb die Versetzung behindern, weil sie nicht in diese Teilchen eindringen kann und sie irgendwie “umwandern” muss. Bei hohen Temperaturen passiert das durch einen Mechanismus, den man “Klettern” nennt (und dessen Details hier nicht so wichtig sind).

Dieses Bild (habe ich meinem Chef geklaut [unschuldig-pfeif]) zeigt, wie man sich das vorstellen kann:

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Die Versetzung kommt von links, trifft auch zwei Teilchen und muss über sie hinüber”klettern”. Dann löst sie sich von den Teilchen wieder ab. Dieser Klettermechanismus ist vor allem bei hohen Temperaturen wichtig – bei niedrigen Temperaturen können Versetzungen nicht so gut klettern und kommen noch schwerer an solchen Hindernissen vorbei; das ist ein Grund dafür, dass Metalle mit zunehmender Temperatur an Festigkeit verlieren.

Da eine Versetzung ja eine Störung des Kristallgitters ist, hat sie auch eine bestimmte Energie, denn sie verzerrt den Kristall. Diese Energie kann an dem Teilchen höher oder geringer sein – je nachdem, was das Teilchen für Eigenschaften hat. Ist die Energie höher, dann bleibt die Versetzung vor dem Teilchen hängen, ist sie niedriger, dann braucht man zusätzliche Energie (also zusätzliche Kraft), um die Versetzung wieder vom Teilchen zu lösen.

Und jetzt stellt euch vor, wir nehmen das Teilchen weg und ersetzen es durch – nichts. Wir machen also einfach kleine Löcher in unseren Kristall. Wenn eine Versetzung auf so ein kugelförmiges Loch zuläuft, dann kann sie dort natürlich nicht rein – denn eine Störung des Atomgitters kann sich nicht dort aufhalten, wo kein Atomgitter ist. Am Loch ist die Energie der Versetzung aber auf jeden Fall niedriger als im Kristall selbst, denn im Loch ist ja kein Material, das von der Versetzung irgendwie verzerrt werden könnte. Man braucht also auch hier eine Extra-Kraft – die Versetzung fühlt sich am Loch viel wohler als anderswo im Kristall und man muss sie quasi mit der Brechstange losreißen.

So, nun wisst ihr, wie man mit Nichts Metalle verstärkt. Bleibt nur ein kleines Problem: Wo kriegen wir das “Nichts” her? Damit der Mechanismus effektiv wirken kann, müssen die Löcher sehr winzig sein – möglichst nur einige Nanometer im Durchmesser. Wie soll man solche Löcher in den Kristall bekommen – Bohren scheidet ja wohl aus? Gibt es solche Materialien überhaupt?

Ja, die gibt es tatsächlich – falls ihr noch energiefressende Glühlampen habt, dann habt ihr ein Beispiel dafür direkt in der nächsten Lampe:

Filament.jpg
Von Lander777 – https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=File:Filament.jpg&action=edit, Gemeinfrei, Link

Wolfram-Legierungen (aus denen man ja die Glühfäden macht) werden nämlich mit diesem Mechanismus verstärkt. Und dazu verwendet man einen genial einfachen Trick: Man legiert Wolfram mit Kalium. Das Kalium bildet – bei geeigneter Behandlung der Legierung – sehr feine Teilchen im Wolfram.

Nun ist Kalium nicht “Nichts” – aber Kalium hat einen sehr niedrigen Schmelz- und Siedepunkt, es verdampft bei 759°C. In einem Glühfaden ist es wesentlich heißer als das – die kleinen Kaliumteilchen verdampfen also. Da sie aber ja im Wolfram eingeschlossen sind, können sie nicht raus und bilden winzige Dampfbläschen. Da das Kalium jetzt gasförmig ist, wirkt die Dampfblase wie ein Hohlraum für die Versetzungen – sie können nicht in die Blase eindringen, und für sie ist die Kaliumblase einfach nur “Nichts”.

Die Kaliumbläschen sind übrigens ein Grund dafür, dass Glühlampen eine sehr begrenzte Lebensdauer haben: Durch Diffusion des Kaliums im Wolfram können die Bläschen im Laufe der Zeit zusammenwachsen und sich so vergrößern. Dabei nimmt zum einen ihre verfestigende Wirkung ab (bei diesem Mechanismus ist es besser, viele kleine Teilchen zu haben als wenige große), zum anderen können größere Dampfblasen dann auch als Schwachstellen wirken.

Wie ihr seht, ist es tatsächlich möglich, Metalle mit “Nichts” zu verstärken – und wir wenden diesen Trick sogar täglich an.

Kommentare (26)

  1. #1 josef
    21. Juli 2011

    “Die Kaliumbläschen sind übrigens ein Grund dafür, dass Glühlampen eine sehr begrenzte Lebensdauer haben”

    Ein anderer Grund ist, dass sich die Glühlampenhersteller darauf geeinigt haben, dass keine Lampe mehr als 1000 Stunden brennen.

    Übrigens: schön erklärt.

  2. #2 josef
    21. Juli 2011

    “Die Kaliumbläschen sind übrigens ein Grund dafür, dass Glühlampen eine sehr begrenzte Lebensdauer haben”

    Ein anderer Grund ist, dass sich die Glühlampenhersteller darauf geeinigt haben, dass keine Lampe mehr als 1000 Stunden brennen.

    Übrigens: schön erklärt.

  3. #3 MartinB
    21. Juli 2011

    @josef
    Echt? Ich dachte, das läge an Kalium und an der unvermeidlichen Verdampfung von Wolfram. Gibt’s dafür ne Quelle?

  4. #4 Turi
    21. Juli 2011

    In welchem Zeitbereich liegt denn dieses Wachstum der Kaliumblasen?
    Im Bereich normalem Ausscheidungswachstums (t^(1/3)), oder hat die sehr hohe Diffusionsgeschwindigkeit von Gasphasen einen stärkern Einfluss?

  5. #5 Jürgen Schönstein
    21. Juli 2011

    @MartinB
    Ist das mit dem “Nichts” im Prinzip so ähnlich wie mit der Bohrung, mit der man üblicher Weise versucht, Risse in Gusseisen zu stoppen?

  6. #6 Jürgen Schönstein
    21. Juli 2011

    @MartinB
    Ist das mit dem “Nichts” im Prinzip so ähnlich wie mit der Bohrung, mit der man üblicher Weise versucht, Risse in Gusseisen zu stoppen?

  7. #7 ZielWasserVermeider
    21. Juli 2011

    @ MartinB

    “Gibt’s dafür ne Quelle?”

    15.02.2011 Arte: Kaufen für die Müllhalde HD

    > https://www.youtube.com/watch?v=tI798T2tRrQ

    Gruß
    Oli

  8. #8 MartinB
    21. Juli 2011

    @Turi
    Das Kalium diffundiert sicherlich als Ionen da durch – dass es als Gasphase in den Blasen vorliegt, dürfte darauf meiner Ansicht nach wenig einfluss haben.

    @ZWV
    Danke für die Quelle – so ganz sicher bin ich mir bei solchen Reportagen aber nie, wie genau die nun stimmen.

  9. #9 Redfox
    21. Juli 2011

    @Josef, MaritnB:
    Das ist schon ewig her:
    https://www.taz.de/!27825/

  10. #10 ZielWasserVermeider
    21. Juli 2011

    @MartinB

    “Danke für die Quelle – so ganz sicher bin ich mir bei solchen Reportagen aber nie, wie genau die nun stimmen.”

    Yep…. überprüfen muss man das.. wie auch Wikipediaeinträge ;).
    Die Doku ist relativ ausführlich und gibt genügend Hinweise wie und wo man etwas überprüfen kann.

    Gruß
    Oli

  11. #11 MartinB
    21. Juli 2011

    @Redfox
    Danke

    @ZWV
    Tja, irgendwie will bei mir Youtube nicht mehr, seit ich den Adblocker eingebaut habe – deswegen half der FAZ-Link mehr weiter. Wieder was gelernt…

  12. #12 Jürgen Schönstein
    21. Juli 2011

    @MartinB
    Ist das mit dem “Nichts” im Prinzip so ähnlich wie mit der Bohrung, mit der man üblicher Weise versucht, Risse in Gusseisen zu stoppen?

  13. #13 Engywuck
    21. Juli 2011

    nuja, bei Glühlampen hat man halt ein Optimierungsproblem: Matrialdicke und Form gegen Leuchtkraft und Lebensdauer.
    Umso dünner der Faden, umso heißer, also umso effizienter (mehr “Licht” pro Watt), aber umso geringer die Lebensdauer.
    Form und Materialzusammensetzung dürften recht schnell optimiert sein, fragt sich also, auf welche Lebensdauer man die Lampe auslegt. Da wird dann halt je nach Bedarf optimiert, im Idealfall so, dass (Herstellungskosten+Energiekosten+Wechsekosten)/Leuchtkraft minimal wird.
    Hierzulande haben sich die Hersteller halt auf 1000 Stunden geeinigt, prinzipiell wären natürlich auch 10000 Stunden möglich — und die Kunden würden sich über die “dunkle Funzel” beschweren.
    Im Extremfall: eine Wendel aus millimeterdickem Draht kann enorme Energiemengen umsetzen und Jahrzehnte halten. Der Anteil emittierten sichtbaren Lichts ist aber eher bescheiden.

    Meines Wissens gibt/gab es aber Spezialanfertigungen für Stellen, an denen die lampen nur extrem schwer zu wechseln sind. Da war dem Kunden dann die höheren Energiekosten gegenüber den Kosten der Auswechslung egal.

  14. #14 Statistiker
    22. Juli 2011

    1.000 Stunden sind nicht die MAXIMALE Lebensdauer einer herkömmlichen Glülampe, sondern die DURCHSCHNITTLICHE Lebensdauer. Ein feiner, aber wesentlicher Unterschied.

    btw: Wenn man X Glühlampen testet und nach 1.000 Stunden alle defekten rausnimmt, beträgt die durchschnittliche Lebensdauer der verbleibenden Glühlampen: Wieder 1.000 Stunden….

  15. #15 SCHWAR_A
    22. Juli 2011

    @MartinB:
    Beim ersten Lesen mußte ich unwillkürlich an ‘Wellpappe’ denken – auch eine durch ‘Nichts’ verstärkte Steifigkeit… 😉

    Wird deswegen auch Stahl fester, weil der Kohlenstoff darin wie das ‘Nichts’ wirkt?

  16. #16 Ex-Esoteriker
    22. Juli 2011

    Sehr schöner Artikel, macht immer wieder Spaß, hier im SB zu lesen.

    Im Umkehrschluss: Bed., dass Löcherkäse jetzt Hartkäse ist? 😀

  17. #17 Turi
    22. Juli 2011

    @SCHWAR_A
    Jein. Zwar wird auch das Eisen durch den zugegebenen Kohlenstoff fester, da Versetzungen schlechter wandern können, der Mechanismus selbst ist aber anders, da der Kohlenstoff in Stahl keine Ausscheidungen (“Kohlenstoffbläschen”) bildet, solange man ihn nicht besonders legiert.
    Grob lässt sich sagen, das der Kohlenstoff sich mit dem Eisen zum einen mischt und zum anderen eine Verbindung, das Zementit bildet, welche sehr hart ist. Aus der Mischung bildet sich je nach Temperatur und Legierung Ferrit oder Austenit, beide weicher als Zementit und besser Verformbar. Aus diesen beiden Phasen bildet sich dann ein Gefüge, welches Hart und Verforbar ist.
    Die eigentliche Härte kommt aus Verrzerrungen des Gitters durch eingelagertet Kohlenstofffatome bzw. aus den kovalenten Bindungen der Zementitverbindung, welche beide die wanderung von Versetzungen behindern.

  18. #18 MartinB
    22. Juli 2011

    @Jürgen
    Nein, makroskopische Bohrungen sind was anderes – die entlasten die Rissspitze. Erklär ich nach meinem Urlaub im Detail (steht schon auf meienr Themenliste).

    @Statistiker
    “Wenn man X Glühlampen testet und nach 1.000 Stunden alle defekten rausnimmt, beträgt die durchschnittliche Lebensdauer der verbleibenden Glühlampen: Wieder 1.000 Stunden….”
    Wirklich? Das mag ich kaum glauben, weil es heißen würde, dass es keine zeitabhängige Zustandsänderung in den Glühfäden gibt – gibt’s dafür nen Beleg?

    @SCHWAR_A
    Turi hat schon ein paar Aspekte erklärt – C in Eisen hat viele Auswirkungen. Behindert Versetzungen direkt, verzerrt das Gitter, bildet Zementitausscheidungen, sorgt für eine feinere Mikrostruktur und ich hab bestimmt noch was vergessen…

  19. #19 SCHWAR_A
    22. Juli 2011

    @Turi & MartinB: Super erklärt, danke! …und weiter so…

  20. #20 Noch'n Statistiker
    22. Juli 2011

    “btw: Wenn man X Glühlampen testet und nach 1.000 Stunden alle defekten rausnimmt, beträgt die durchschnittliche Lebensdauer der verbleibenden Glühlampen: Wieder 1.000 Stunden….”

    Na klar. Und wenn ein Mann 75 Jahre alt geworden ist und immer noch lebt, dann hat er im Durchschnitt noch weitere 75 Jahre vor sich.

    Selten so einen Käse gelesen, der mit einer derartigen Überzeugung vorgetragen wurde.

  21. #21 Frank Wappler
    22. Juli 2011

    Statistiker schrieb (22.07.11 · 09:02 Uhr):
    > btw: Wenn man X Glühlampen testet und nach 1.000 Stunden alle defekten rausnimmt, beträgt die durchschnittliche Lebensdauer der verbleibenden Glühlampen: Wieder 1.000 Stunden….

    Sind das die Glühlampen mit der “garantierten (Mindest-)Lebensdauer”? Oder diese gerade nicht??

    Noch’n Statistiker schrieb (22.07.11 · 13:25 Uhr):
    > Na klar. Und wenn ein Mann 75 Jahre alt geworden ist und immer noch lebt, dann hat er im Durchschnitt noch weitere 75 Jahre vor sich.

    Populations-Durchschnitt!:
    Wenn man X Menschen testet und nach ca. 40 Jahren alle defekten rausnimmt, beträgt die durchschnittliche Lebensdauer der verbleibenden Menschen (einschl. derer, die im vorausgegangenen Versuch dazukamen): Wieder ca. 40 Jahre….

  22. #22 Redfox
    22. Juli 2011

    Leute, diese Durchnschnittszahlenspielereien sind doch völlig am Thema vorbei, es ging beim Glühbirnenkartell um ein Begrenzung auf 1000 Stunden:

    1926, “ausgerechnet zum Fest des Lichts”, wie sich der Devianzforscher Rolf Schwendter viel später empörte, hatte das Kartell die Lebensdauer aller Glühbirnen von 2.000 auf 1.000 Stunden verkürzt. Alle Kartellmitglieder mussten fortan für jede verkaufte Glühbirne, die 50, 100 oder sogar 200 Stunden länger brannte als die vereinbarten 1.000 Stunden, eine Strafe zahlen. Bis zu 200 Stunden Brenndauer weniger blieben hingegen straffrei.

  23. #23 Ireneusz Cwirko
    23. Juli 2011

    @MartinB
    “die Versetzung fühlt sich am Loch viel wohler als anderswo im Kristall und man muss sie quasi mit der Brechstange losreißen.”

    “sie können nicht in die Blase eindringen, und für sie ist die Kaliumblase einfach nur “Nichts”

    “Durch Diffusion des Kaliums im Wolfram können die Bläschen im Laufe der Zeit zusammenwachsen”

    “Da sie aber ja im Wolfram eingeschlossen sind, können sie nicht raus”

    Nur weiter so

  24. #24 Bullet
    28. Juli 2011

    @redfox: o je, … hat wieder einmal ein bekiffter Praktikant einen Artikel schreiben dürfen. *koppschüttel*
    Wenn nicht einmal erklärt wird, wer dem sog. “Elektrokartell” eigentlich angehört, darf man den Artikel getrost als “saumäßig recherchiert” = “für die Tonne” ansehen.

  25. #25 Melix
    Zittau
    16. Januar 2016

    Vieleeeeeeen Daaanke Martin
    Ihre Artikeln hat mir so viele geholfen
    Seit gestern lese ich Ihre Artikeln , muss ich sagen Super Erklärung von Sachen, mit denen damals Schwierigkeiten hatte
    ich hoffe , dass Sie über Bruchmechanik etwas schreiben schreiben ( einer habe ich schon gelesen )

  26. #26 MartinB
    16. Januar 2016

    @Melix
    Danke, freut mich.
    Bruchmehcanik hab ich hier im Blog nur wenig behandelt – aber dazu gibt es natürlich das Buch “Mechanisches Verhalten der Werkstoffe” (wenn auch auf etwas höherem Niveau als der Blog).