Neuer Stahl nach Knochenart

  • 13. March 2017

Bionischer Ansatz soll Stabilität von Strukturwerkstoffen erhöhen.

1998 ereignete sich eins der schwersten Zugun­glücke Deutschlands in Eschede, Nieder­sachsen. Ein Radreifen brach und brachte den Zug zur Entgleisung. Grund hierfür war Material­ermüdung. Stetige Belastung bestimmter Bauteile beispiels­weise in Zügen, Flugzeugen oder auch Kraft­werken, birgt ein hohes Risiko für Material­ermüdung und letztendlich –bruch. Bisherige Versuche dieses Risiko zu mindern, bauen auf kost­spielige Sicherheits­maßnahmen, die die statistische Lebens­dauer von Bauteilen beachten. Die Mikro­struktur der verwendeten Materialien wurde jedoch, aufgrund der viel­fältigen möglichen Facetten von Material­ermüdung, nicht grundlegend verändert. Inspiriert durch die exzellenten Eigen­schaften von Knochen bezüglich Ermüdung, hat ein inter­nationales Team rund um Material­wissen­schaftler des Max-Planck-Institut für Eisen­forschung MPIE in Düsseldorf, einen Stahl entwickelt, der in seiner Struktur dem mensch­lichen Knochen ähnelt und dadurch einen ähnlich hohen Ermüdungs­widerstand aufweist.

Abb.: Mikrostrukturen in einem Stahl mit knochenähnlichen Eigenschaften. (Bild: M. Wang, MPIE)

Abb.: Mikrostrukturen in einem Stahl mit knochenähnlichen Eigenschaften. (Bild: M. Wang, MPIE)

Wenn ein Material regel­mäßig belastet wird, bilden sich auf der Mikro- und Nanoebene feinste Risse, die mit der Dauer der Belastung fort­schreiten und zum Material­versagen führen können. Das Ziel des inter­nationalen Forscher­teams war es, ein Material zu entwickeln, welches auf der Mikro- und Nanoebene die Ausbreitung dieser Risse frühest­möglich stoppt. Das Ergebnis ist eine Legierung aus Eisen, Mangan, Nickel und Aluminium. Diese besteht aus verschiedenen meta­stabilen Phasen, die in Nanometer-großen Lamellen geordnet sind. Durch Beein­flussung dieser Struktur ist es möglich, die Eigen­schaften des Metalls grund­legend zu beein­flussen.

Die Material­wissenschaftler passten die Struktur der Grenzen zwischen den einzelnen Phasen und die Stabilität der Phasen so an, dass der neu entwickelte Stahl resistent gegen multiple Riss­bildung auf der Mikroebene ist. „Um zu prüfen, ob die exzellenten Ermüdungs­eigen­schaften unseres Stahls auch wirklich auf die lamellen­artige Mikro­struktur zurückzuführen sind, haben wir ihn mit konven­tionellen Stählen verglichen“, so Dierk Raabe, Direktor am MPIE. In zahlreichen Expe­rimenten verglich das Team rund um Raabe die Ermüdungs­eigen­schaften des neuen Stahls mit denen von Dual-Phasen-Stählen, die typischer­weise für Kraft­fahrzeuge verwendet werden, mit perlitischen Stählen, welche in Stahl­seilen für Brücken angewendet werden, und mit TRIP-Stählen, die vor allem in Fahrzeug­karossen Anwendung finden. Zudem veränderten die Forscher testweise die Mikro­struktur ihrer Legierung erneut und beobach­teten die Verschlech­terung der Ermüdungs­resistenz. Auf diese Art bestätigten die Forscher ihre Annahme, dass der verbesserte Ermüdungs­widerstand des neu entwickelten Stahls auf dessen lamellen­artige Mikro­struktur mit mehreren Phasen zurück­zuführen ist.

Geplant sind nun weitere Optimierungs­schritte, unter anderem durch thermo­dynamische und kine­tische Verbes­serungen zur weiteren Stabi­lisierung der austeni­tischen Phasen, um die best­mögliche Ermüdungs­resistenz herzustellen. Das Team aus Forschern des Max-Planck-Instituts für Eisen­forschung, der Kyushu Uni­versity Japan und des Massa­chusetts Institute of Techno­logy, USA, geht davon aus, dass sie unter Anwendung des gleichen Material­aufbaus auch weitere Legierungen verbessern können. Somit birgt diese Strategie enormes Potential die Sicher­heit von Struktur­werkstoffen, welche zyklischer Belastung ausgesetzt sind, zu opti­mieren.

MPIE / JOL

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