Der Stahl, der nicht ermüdet
Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat einen Stahl entwickelt, der deutlich resistenter gegen Risse und Ermüdungsbrüche ist als herkömmliches Material. Als Vorbild diente die Struktur menschlicher Knochen.
Ist Stahl starker Belastung ausgesetzt, verschleisst es langsam. Leider ist dies lange nicht erkennbar, weil sich die Ermüdung zuerst tief in der Strahlstruktur – auf der Mikro- und Nanoebene – bemerkbar macht, bevor ein sichtbarer Riss entsteht. Das Material muss also ständig überwacht werden. Das ist nicht nur aufwendig, sondern kostet auch Zeit und Geld. Deshalb hat ein internationales Team rund um Materialwissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung in Düsseldorf nach Möglichkeiten gesucht, diese Mikrorisse frühestmöglich zu stoppen.
Wie es in einer Mitteilung des Instituts heisst, haben sich die Wissenschaftler auf die Mikro- und Nanoebene von Stahl konzentriert. Inspiriert wurden sie dabei von menschlichen Knochen. Sie sind extrem leicht, dank ihrer Wabenstruktur aber besonders stabil und resistent gegen Ermüdungswiderstände. Das Ergebnis ist eine Legierung aus Eisen, Mangan, Nickel und Aluminium, die aus verschiedenen metastabilen Phasen besteht, die in Nanometer-grossen Lamellen geordnet sind. Eine Phase ist eine Kristallstruktur, in der die Atome in einem Metall angeordnet sind. Und diese Struktur respektive die Grenzen zwischen den einzelnen Phasen haben die Wissenschaftler so verändert, dass der neu entwickelte Stahl „resistent gegen multiple Rissbildung auf der Mikroebene“ ist, heisst es im Communiqué.
Dann machten sie die Probe aufs Exempel und verglichen in zahlreichen Experimenten ihr Material mit Dual-Phasen-Stählen, perlitischen Stählen und TRIP-Stählen. Diese Stähle werden typischerweise in Kraftfahrzeugen, Stahlseilen für Brücken und Fahrzeugkarossen verwendet. Ausserdem veränderten die Forscher die Mikrostruktur ihrer neuen Legierung erneut und beobachteten dabei eine Verschlechterung des Ermüdungswiderstands.
Für die Massenproduktion ist der neu entwickelte Stahl freilich noch nicht bereit. Wie es heisst, sind nun weitere Optimierungsschritte geplant, „um die bestmögliche Ermüdungsresistenz herzustellen“. Ausserdem gehen die Forscher davon aus, dass sie unter Anwendung des gleichen Materialaufbaus auch weitere Legierungen verbessern können. (mt/pd)
