Delft (NL) – Voor het eerst zijn onderzoekers erin geslaagd het afkoelingsproces van staal tot in detail te bestuderen. Een röntgenmicroscoop bracht het ontstaan van microscopische kristallen in het staal in beeld.


Wetenschappers van de TU Delft volgden samen met Deense en Franse collega's live de kristallisatie van staal tot op het zogenaamde kristalkiemniveau. Met behulp van een röntgenmicroscoop ontdekten de ze hoe bij een temperatuur van 822 graden Celsius microscopische kristallen in het staal ontstaan.
De Nederlandse onderzoeksgroep van het Interfacultair Reactor Instituut en de sectie Technische Materiaalwetenschappen van de TU Delft voerden hun experiment uit in het synchrotron-laboratorium ESRF in het Franse Grenoble. Het proces van afkoelend staal volgden ze door het te beschieten met röntgenstraling. De verstrooiing van de straling was een maat voor de vorming van kristallen in het staal. De microscopische kristallen in staal zijn weer een maat voor de sterkte van het metaal. Als in het staal veel kristalletjes voorkomen is het staal sterker dan wanneer het uit minder, maar grote kristallen is opgebouwd.
Bij een temperatuur van 822 graden Celsius gaat staal over van de grofkorrelige austeniet-kristalfase naar een fijnere kristalstructuur genaamd ferriet. De hoeveelheid energie die nodig is om nieuwe ferriet-groeikernen aan te maken, bleek honderd keer kleiner als voorheen werd aangenomen. Ook bleek dat de groei van ferrietkristallen op ten minste vier verschillende manieren kan plaatsvinden. Twee manieren waren nog niet eerder gezien.
Dat de ferriet-kristalkiemen zo makkelijk ontstaan, komt volgens de onderzoekers doordat er bij de kiemvorming energie vrijkomt uit de afbraak van de oude kristalstructuren.

Het patroon van verstrooide röntgenstralen van staal bij 800 graden Celsius, halverwege de overgang. Zwarte stippen op de cirkel representeren nieuwe kristallen (ferriet). De overige stippen horen bij de kristallen die ontstaan boven 822 graden Celsius (austeniet).

Die energie wordt benut om de nieuwe kiemvorming op gang te helpen. Door snel te koelen ontstaan zeer veel kleine kristalletjes, wat sterk staal oplevert. De snelheid waarmee de atomen zich herrangschikken, bepaalt grotendeels de mechanische eigenschappen van het staal. De onderzoeksgroep publiceerden de bevindingen in het tijdschrift Science.

Bron: Kennislink