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16.06.2020 | Materialentwicklung | Im Fokus | Onlineartikel

Wie eine neue Klasse von Hochleistungswerkstoffen entstand

Autor:
Dieter Beste
3 Min. Lesedauer

Seit 2008 förderte die Deutsche Forschungsgemeinschaft an der TU Bergakademie Freiberg das Design von neuen Hochleistungs-Verbundwerkstoffen. Die Forschungsergebnisse liegen jetzt in einem Buch vor, das Open Access zur Verfügung steht.

Um mit Stahl Leichtbau etwa in der Automobilindustrie oder im Flugzeugbau betreiben zu können, wurden in den letzten Jahren hochfeste und höchstfeste Stähle entwickelt. "Diese zeichnen sich durch eine Kombination von hoher Festigkeit bei sehr guter Verformungsfähigkeit aus. Die Entwicklung dieser Stähle ist in den letzten Jahren besonders durch die Dualphasenstähle (DP), die Complex-Phasen (CP) und Martensit-Phasen Stähle (TMS) sowie die TRIP-Stähle (Transformation Induced Plasticity), die TWIP-Stähle (Twinning Induced Plasticity) und die tiefstentkohlten höherfesten IF-Stähle (Interstitiell Free) geprägt", zählen Eberhard Roos, Karl Maile und Michael Seidenfuß in "Werkstoffkunde für Ingenieure" auf (Seite 207). 

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Besonders interessant sind TRIP- und TWIP-Stähle. Sie besitzen eine ferritisch-bainitische Grundmatrix, die einen Anteil an Restaustenit enthält. Beim Umformen wandelt sich dieser Austenit in harten Martensit um, erklären die Springer-Autoren. Dadurch werden örtliche Verformungen durch lokale Verfestigungen begrenzt und eine gleichmäßige Verformung über den gesamten Querschnitt sichergestellt. "Diese Vorgänge werden auch als TRIP-Effekt bezeichnet. Man spricht dabei auch von induzierter Plastizität" (Seite 209). 

Die Entwicklung von Stählen mit induzierter Plastizität steht allerdings noch am Anfang, so die Springer-Autoren, die bei diesen Werkstoffen noch bedeutende Steigerungsmöglichkeiten hinsichtlich Festigkeit und Umformbarkeit erwarten. Als Beispiel führen sie die TWIP-Stähle an, die vor allem durch sehr hohe Mangan-Gehalte (25 bis 30 Prozent Massenanteil) gekennzeichnet sind. Bei deren Umformung werden Zwillingsversetzungen gebildet, die eine vorzeitige lokale plastische Formänderung verhindern. 

Matrix-Composite aus TRIP-Stählen und Zirkoniumdioxid-Keramiken

In zwölf Jahren Forschungsarbeit haben Wissenschaftler der Technischen Universität Freiberg im jetzt abgeschlossenen Sonderforschungsbereich 799 der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit der Entwicklung von TRIP-Matrix-Composite eine weitere Stufe im Rennen um Leichtbauwerkstoffe erklimmen können: "Es ist geschafft", mit diesem Seufzer der Erleichterung freuten sich schon 2018 Horst Biermann, Sprecher des SFB 799, und Christos Aneziris, ebenfalls Professor an der TU Bergakademie Freiberg, als sie bekannt geben konnten, dass es im Sonderforschungsbereich tatsächlich gelungen war, zähe, umwandlungsverstärkte Verbundwerkstoffe und Strukturen auf Fe-ZrO2-Basis mit einem besonders hohen Energieaufnahmevermögen herzustellen. "Bei Belastung verändert sich die Anordnung der Atome innerhalb des Werkstoffs. Die Abstände zwischen den Atomen werden größer und der Werkstoff ‚dehnt’ sich. So kann er große Beanspruchungen aushalten, ohne zu versagen", sagte Biermann.

Volumenänderungen im festen Zustand

Dass ein Werkstoff sein Volumen im festen Zustand noch derart verändern kann, sei bisher einzigartig und liege vor allem an der Mischung der neuen Verbundwerkstoffe, bestehend aus TRIP/TWIP-Stahl und Zirkondioxid-Keramik, so die Freiberger Wissenschaftler. Für ihr patentiertes Verfahren mischten sie Pulver beider Komponenten mit weiteren Zusatzstoffen und verarbeiteten diese Mischung anschließend mit Hilfe spezieller Formgebungsverfahren zu verschiedenen geometrischen Strukturen wie Schaum-, Waben-, Kugel- oder Spaghettiformen. Ihre endgültige Festigkeit erhalten die neuartigen Werkstoffe durch Sintern. Zum Abschluss des SFB 799 haben die Forscher nun wichtige Ergebnisse aus zwölf Jahren Forschungsarbeit zusammengetragen. In 24 Buchkapiteln beschreiben sie, wie es ihnen im Laufe eines guten Jahrzehnts interdisziplinärer Forschung gelang, durch den Verbund von Stahl und Keramik eine neue Klasse von Hochleistungs-Verbundwerkstoffen zu entwickeln. In der Springer-Reihe "Materials Science" liegt das Open-Access-Buch mit dem Titel "Austenitic TRIP/TWIP Steels and Steel-Zirconia Composites: Design of Tough, Transformation-Strengthened Composites and Structures" seit Anfang Juni vor – online für jedermann, überall und jederzeit frei verfügbar.
 

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Quelle:
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