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15.03.2017 | Metalle | Im Fokus | Onlineartikel

Knochenähnlicher Stahl zeigt Resistenz gegen Rissbildung

Autor:
Dieter Beste

Materialermüdung und damit einhergehende Rissbildung sind häufig die Ursache, wenn ein Bauteil versagt. Düsseldorfer Max-Planck-Wissenschaftler entwickelten jetzt einen Stahl, der ähnlich einem menschlichen Knochen widerstandsfähig gegen Ermüdungsbrüche ist.

Unter schwingender Beanspruchung können Bauteile bereits unter weitaus geringeren Belastungen als der im statischen Zugversuch ermittelten Zugfestigkeit zu Bruch gehen. Man spricht dann von einem Ermüdungsbruch. "Werkstoffkennwerte, die mit statischen Prüfverfahren ermittelt wurden, dürfen daher keinesfalls zur Dimensionierung zeitlich veränderlich beanspruchter Bauteile herangezogen werden", hält Springer-Autor Volker Läpple in seiner "Einführung in die Festigkeitslehre" fest (Seite 246). Welche katastrophalen Folgen ein solcher Ermüdungsbruch haben kann, wurde einer großen Öffentlichkeit bewusst, als 1998 im niedersächsischen Eschede ein Radreifen brach und einen ICE zum Entgleisen brachte.

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Knochen haben hohen Ermüdungswiderstand

Die erstaunlichen Werkstoffeigenschaften von Knochen haben nun ein internationales Team um Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf dazu inspiriert, Stähle in ihrer Mikrostruktur so zu verbessern, dass sie einen ähnlich hohen Ermüdungswiderstand wie dieses natürliche Material aufweisen: Sie konnten einen Stahl kreieren, der auf der Mikro- und Nanoebene die Ausbreitung von Rissen frühestmöglich stoppt.

Dabei handelt es sich um eine Legierung aus Eisen, Mangan, Nickel und Aluminium, wie die Wissenschaftler in Science berichten. Der neue Stahl besteht aus verschiedenen metastabilen Phasen, die in nanometergroßen Lamellen geordnet sind. Die Materialwissenschaftler veränderten die Struktur der Grenzflächen zwischen den einzelnen Phasen und die Stabilität der Phasen so, dass der neue Werkstoff resistent gegen multiple Rissbildung auf der Mikroebene wurde.

Materialvergleich mit eindeutigem Ergebnis

"Um zu prüfen, ob die exzellenten Ermüdungseigenschaften unseres Stahls auch wirklich auf die lamellenartige Mikrostruktur zurückzuführen sind, haben wir ihn mit konventionellen Stählen verglichen", sagt Dierk Raabe, Direktor am MPIE. In zahlreichen Experimenten verglich das Team den knochenähnlichen Stahl 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 daraufhin einsetzende Verschlechterung der Ermüdungsresistenz.

Mit diesen Versuchen konnten die Forscher belegen, dass das verbesserte Verhalten eindeutig auf die lamellenartige Multiphasen-Mikrostruktur des neuen Stahls zurückzuführen ist. Geplant sind jetzt nach MPIE-Angaben weitere Optimierungsschritte. Das Team geht davon aus, dass ein neuartiger Materialaufbau auch weitere Legierungen verbessern kann. Somit berge diese Strategie enormes Potenzial, die Sicherheit von Strukturwerkstoffen zu optimieren.

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