Blog Ko Buijs - Tweelingen in metaalkristallen
Bij tweelingen denkt men primair aan twee mensen met een exact dezelfde leeftijd die eeneiig of twee-eiig zijn geboren. De metaalkunde kent ook het begrip ‘tweeling’ wat ook wel een kristaltweeling in de structuur wordt genoemd. Naast het voorkomen van tweelingen in metalen wordt dit verschijnsel soms ook waargenomen in bepaalde mineralen. Een tweeling ontstaat als twee locaties in een kristalrooster een oriëntatie hebben die een spiegelbeeld vormen ten opzichte van elkaar.
Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV
Deze gebieden in het kristalrooster hebben een gemeenschappelijk vlak, dat een tweelingvlak wordt genoemd. Het is te vergelijken met een gedeelte van een kristal dat 180 graden gedraaid is om een denkbeeldige as. Feitelijk zou men zo’n fenomeen een specifiek kristaldefect kunnen noemen zonder nadelige gevolgen voor het betreffende metaal. Op de afbeelding 1 is een schematische voorstelling van een tweeling te zien alsmede een microscopische opname.
Afbeelding 1: Schematische voorstelling van een tweeling in een metaal (bron Quiziet)
Austenitisch roestvast staal bezit een kubisch vlakken gecentreerd kristalrooster (KVG). In deze structuur vormen zich onder bepaalde omstandigheden gemakkelijk tweelingen. Zij ontstaan meestal in de meest dicht gestapelde vlakken van een kristal. Op afbeelding 2 wordt een austenitische RVS-structuur getoond, die voorzien is van enkele tweelingen. Om hoogteverschillen van de kristallen te visualiseren is gebruik gemaakt van een interferentiecontrast. Ook kunnen tweelingen ontstaan in andere metalen zoals koper en aluminium.
Afbeelding 2: Austenitische structuur met enige tweelingen.
De vraag is hoe deze tweelingen in de austenitische structuur kunnen ontstaan. Daarvoor zijntwee mechanismen verantwoordelijk, t.w. door koude deformatie en door een warmtebehandeling bij hoge temperatuur. Tweelingen kunnen namelijk gemakkelijk ontstaan tijdens een plastische vervorming, zoals dat het geval is bij dieptrekken bij kamertemperaturen. In de praktijk wordt dat ook wel deformatie-twinning of kristalverdubbeling genoemd. Ook kunnen deze tweelingen ontstaan door hoge vervormingssnelheden. Als er hoge mechanische spanningen in het roestvast staal aanwezig zijn, kunnen atoomlagen t.o.v. elkaar gaan verschuiven wat ook wel glijden wordt genoemd. Tijdens dat glijden kunnen er gemakkelijk tweelingen in de kristallen ontstaan. Als austenitisch roestvast staal na koud vervormen bij hoge temperatuur rekristalliserend wordt gegloeid, kunnen er ook gemakkelijk tweelingen ontstaan. Tijdens dit gloeien zullen kristallen gaan groeien waardoor stapelfouten ontstaan op de bestaande grensvlakken van de kristallen. Deze tweelingen worden ook wel groeitweelingen genoemd en deze manifesteren zich ook als lijntjes in de structuur die parallel aan elkaar lopen.
Tweelingen zijn duidelijk waarneembaar onder een lichtmicroscoop als rechte parallelle lijnen die zich in de kristallenaftekenen (afbeelding 2). Ze zijn kenmerkend voor de microstructuur van metalen met een kubisch vlakken gecentreerd rooster. Men kan zich afvragen of tweelingen nuttig of schadelijk zijn, als deze ontstaan in eenaustenitische structuur. Het staat in de praktijk vast dat tweelingen een behoorlijke positieve invloed hebben op de mechanische eigenschappen van austenitisch roestvast staal. Tweelingen verhogen namelijk de treksterkte en de hardheid en dat komt omdat deze zones gelijktijdig barricades vormen voor zogenaamde dislocaties. Dislocaties zorgen er namelijk primair voor dat plastische deformatie mogelijk is. Door het koud vervormen ontstaan tweelingen en dat is mede de reden dat de mechanische waarden toenemen. Hiermee is ook de hardheidstoename van het roestvast staal verklaard. Een andere reden voor het ontstaan van hogere mechanische waarden is de vorming van deformatiemartensiet bij metastabiel roestvast staal. De aanwezigheid van tweelingen gaat niet of nauwelijks ten koste van de ductiliteit c.q. taaiheid en dat is van belang om een goede dieptrekbaarheid te waarborgen. Daarom kan men stellen dat de vorming van tweelingen geen merkbare nadelen voor roestvast staal oplevert.