Onderzoekers bieden zicht op veranderingsprocessen in staal

Door verhitting van ijzer kan het van structuur veranderen, één van de manieren om verschillende vormen van staal te krijgen, met verschillende eigenschappen. Dat proces lijkt op de vorming van ijsbloemen: vanuit een kiempunt verandert de ene ijzerkristalstructuur in de ander, en dat proces breidt zich vanuit zo’n kiempunt verder uit.

Dergelijke kiemvorming in materialen heeft de meeste invloed op de uiteindelijke eigenschappen, maar is nog het minst begrepen in de metaalkunde. Over hoe en waar die kiemvorming precies start bijvoorbeeld, is nog weinig bekend. Onderzoekers van de TU Delft werpen daar nu nieuw licht op in hun publicatie ‘Preferential Nucleation during Polymorphic Transformations’ in Scientific Reports (Nature) van woensdag 3 augustus.

De onderzoekers brachten dit kiemingsproces ‘live’ in beeld door in de European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble een staalmonster in een speciaal gemaakt oventje (kort artikel Technisch Weekblad hierover) te verhitten tot 1.000 graden, en het veranderingsproces te volgen met behulp van röntgenstraling. Ze brachten zo in kaart welke plekken, met welke eigenschappen, de meest waarschijnlijke startpunten waren voor het kiemproces van de overgang van ferriet naar austeniet.

Legeringen

De tot nog toe meest gebruikte manier om de eigenschappen van staal te veranderen is door het toevoegen van elementen die invloed hebben op de structuur en daardoor de eigenschappen van de resulterende staalsoort: legeringen. Legeringen kunnen bestaan uit meer dan tien verschillende soorten elementen, wat niet alleen de productie ingewikkeld en vaak kostbaar maakt, maar ook de recycling.

Inzicht in het kiemvormingsproces biedt hier mogelijk uitkomst. Als je dit kunt sturen, is het in theorie mogelijk microstructuren te laten ontstaan die het materiaal de gewenste macroscopische eigenschappen geven, zonder toevoeging van andere (zeldzame) elementen. Delftse materiaalkundige Erik Offerman: ‘Staal moet sterk zijn, maar ook goed vervormbaar, bijvoorbeeld om componenten in de auto-industrie lichter te kunnen maken. Ook in de productie van zogenaamde elektrische stalen voor de kern van transformatoren ben je op zoek naar specifieke eigenschappen. Wil je in dat proces het gebruik van legeringselementen terugdringen, dan staat het kiemvormingsproces centraal. We hebben nu plekken gevonden waar een ijzerkristal bij voorkeur kiemt.’

Simpele basismaterialen

Offerman: ‘Als je metalen simpeler kunt maken, dus minder doen met legeringen, en meer met de microstructuur, dan kun je de basismaterialen ook simpel houden. Dat maakt productie goedkoper, maar je kunt de materialen ook makkelijker opnieuw gebruiken bij recyclen. Je zou meer met de structuur moeten spelen in plaats van te legeren. Een volgende stap is om kritische legeringselementen te vervangen en het aantal verschillende legeringselementen en de concentratie ervan te verlagen door de microstructuur te optimaliseren.’

Veertien jaar geleden opperde Offerman al een hypothese over de activeringsenergie van het kiemvormingsproces, wat hem op zware kritiek kwam te staan van een van de toenmalige experts in het veld. Met dit artikel heeft hij zijn hypothese eindelijk kunnen bewijzen.