INVLOED DISLOCATIES OP STERKTE MATERIALEN BETER BEGREPEN

Precies vijftig jaar nadat de Engelse natuurkundige Cottrell een mogelijke verklaring had gesuggereerd voor de verschillen in sterkte van legeringen, zijn Franse collega's erin geslaagd zijn ideeën experimenteel te bevestigen. Zij deden dat met behulp van een techniek waarmee de ruimtelijke verdeling van verschillende atomen in een materiaal kan worden afgebeeld. Daarmee konden ze aantonen dat `vreemde' atomen (atomen die slechts in lage concentratie aanwezig zijn) zich bij voorkeur ophopen rond roosterfouten in een metaalkristal. En dat zou volgens de theorie van Cottrell in belangrijke mate de sterkte beïnvloeden (Science, 17 dec.).

In een groeiend kristal worden de atomen razendsnel in lagen op elkaar gestapeld. Dat leidt onherroepelijk tot fouten. Zo wordt soms een atoomlaag die nog niet helemaal af is al weer bedekt door een volgende. Het kristal is dan niet perfect, maar bevat zogeheten dislocaties. Die zijn er verantwoordelijk voor dat bijvoorbeeld legeringen bij veel lagere spanning vervormen dan je op grond van hun samenstelling zou verwachten. Je kunt het vergelijken met het verschuiven van een kleed. Wanneer je aan een hoek begint te trekken, moet je de wrijvingskracht overwinnen die de vloer op het kleed uitoefent. Wanneer je het kleed daarentegen aan een van de uiteinden een beetje opduwt, dan kun je zo'n plooi betrekkelijk gemakkelijk voortduwen, waarmee je het kleed uiteindelijk toch in zijn geheel verplaatst. Op soortgelijke wijze zorgt de beweging van dislocaties in legeringen voor vervorming.

Nu was al lang bekend dat door toevoeging van kleine hoeveelheden `vreemde' atomen, bijvoorbeeld koolstof in ijzer, de sterkte kan worden beïnvloed. Cottrell bedacht daar als eerste een verklaring voor. De toegevoegde atomen zouden volgens hem de dislocaties opzoeken, omdat dat de plaatsen zijn waar er spanning in het kristal zit. Kleinere atomen verzamelen zich daar waar de atoomlagen dichter op elkaar geperst zitten dan normaal, terwijl grotere atomen juist daarheen trekken waar meer ruimte is. Een dislocatie die omringd is door een wolk van andere atomen (een Cottrell-atmosfeer) zou in zijn beweging worden gehinderd. Een aardige theorie, maar tot nog toe had niemand ooit een Cottrell-atmosfeer waargenomen.

Didier Blavette en zijn collega's van de Université de Rouen ontwikkelden in 1993 een techniek om atomen af te beelden, de 3D atoom-probe. Een dunne naald van het te onderzoeken materiaal wordt blootgesteld aan een gepulst elektrisch veld. Wanneer dat op een gecontroleerde manier gebeurt, verdampen de atoomlagen een voor een. Een speciale detector vangt de losgeschoten atomen niet alleen op, maar houdt ook bij waar ze oorspronkelijk vandaan kwamen en analyseert bovendien hun massa. Met veel geduld kan zo een ruimtelijk beeld worden verkregen van de ordening van de atomen in het oorspronkelijk kristal. In dit geval bestond dat uit een ijzer-aluminiumlegering waarin kleine hoeveelheden borium waren toegevoegd. In een van de onderzochte monsters kon duidelijk worden aangetoond dat de kleine boriumatomen zich precies langs een dislocatie hadden opgehoopt. Volgens een begeleidend commentaar in Science moet het met deze techniek mogelijk worden om nieuwe en verbeterde legeringen te maken, doordat ze meer inzicht kan verschaffen over het effect van veranderingen in samenstelling. Ook kan de invloed van warmtebehandelingen, waaraan legeringen veelal worden blootgesteld om de sterkte te verbeteren, straks wellicht beter worden begrepen.