Stahl ist einer der wichtigsten Werkstoffe unserer Zeit und muss hohen Ansprüchen nachkommen. Das Material muss einerseits starkem Druck oder Zug widerstehen und Schlägen standhalten, andererseits dürfen sich bei Verformung keine Risse zu bilden.
Mikrostruktur
Um diesen Umstand zu beheben, fügt man Stahl in der Regel andere Metalle wie Nickel, Kobalt, Mangan oder Molybdän zu. Die dadurch entstandenen Legierungen sorgen für eine Mikrostruktur die das Material stabil, rissfest und formbar zugleich macht. Doch die Stähle haben auch einen Nachteil, erklären Li Liu von der University of Hongkong und ihre Kollegen: „Eine ökonomische Massenproduktion und ein Recycling sind wegen der hohen Kosten und Umweltauswirkungen nicht praktikabel.“ Eine weitere Möglichkeit um die Mikrostruktur des Stahls zu verändern ist die gezielte Behandlung wie Erhitzen, Abschrecken oder Verformen. Ziel ist es dabei, die beiden Gitterstruktur-Varianten des Stahls, Austenit und Martensit, in ein optimales Verhältnis und eine günstige Anordnung zu bringen. Austenit kann sich unter Druck verformen und verleiht dem Stahl Formbarkeit und ein Formgedächtnis. Dabei wandelt er sich in das härtere, aber sprödere Martensit um.
Austenit und Martensit
Liu und ihre Kollegen haben nun eine Methode entwickelt, durch die Stahl eine Art „Blätterteigstruktur“ bekommt – ultradünne Schichten aus Austenit und Martensit wechseln sich so ab, dass das Material hochfest wird, gleichzeitig aber die Ausbreitung von Rissen verhindert. Ausgangspunkt ist ein Stahl, dem 9,95 Prozent Mangan, 0,44 Prozent Kohlenstoff, 1,87 Prozent Aluminium und 0,67 Prozent Vanadium zugesetzt sind.
Anfangs besteht dieser Stahl fast vollständig aus Austenit-Körnchen, die durch Warmwalzen länglich ausgezogen werden. „Beim anschließenden Kaltwalzen wandelt sich das Austenit teilweise in Martensit um, wodurch eine lamellare Duplex-Mikrostruktur aus beiden Strukturen entsteht“, berichten die Forscher. Abschließend sorgt eine Partitionierung dafür, dass der im Stahl gelöste Kohlenstoff vom Martensit in das Austenit übergeht.
Wie Titan – nur doppelt so fest
Das Endprodukt ist ein Werkstoff, in dem feine, schichtweise versetzte Lamellen aus länglichen Austenit-Körnchen in die Martensit-Matrix eingebettet sind. Wie Tests ergaben, macht diese Struktur das Material nicht nur hochfest, es verhindert auch die Ausbreitung von Rissen. Durch die sogenannte „Multi-Delamination“ weichen die Mikrolamellen zwar unter Druck leicht auseinander und absorbieren so einen Teil der Energie. Weil die Schichtstruktur aber trotzdem in sich stabil bleibt, bilden sich keine größeren Risse.
Konkret kann dieser Stahl dadurch einem Druck von rund zwei Gigapascal widerstehen und ist noch bei 102 Megapascal rissfest, wie Liu und ihre Kollegen berichten. Damit sei er mit der Festigkeit der besten Maraging-Stähle vergleichbar, habe aber die doppelte Zähigkeit. „Unser Stahl ist zudem genauso zäh wie Titan, aber doppelt so fest“, so die Forscher.
Universell einsetzbar
„Mit diesem Stahl haben wir eine beispiellose Kombination von Festigkeit und Zähigkeit erreicht, die für den Herausforderungen sicherheitskritischer Industrieanwendungen gewachsen ist“, sagt Lius Kollege Mingxin Huang. Gleichzeitig könne der Werkstoff einfach industriell hergestellt werden und verursache geringe Rohmaterialkosten. „Wir sind damit einen Schritt näher an der Industrialisierung neuer Superstähle“, so Huang.
Anwendungen für ihren Stahl sehen die Forscher unter anderem in Brückenkabeln, der Luftfahrt, für gepanzerte Fahrzeuge oder Leichtbau-Autos, aber auch in Nieten und Bolzen für die Bauindustrie. Die Wissenschaftler kooperieren bereits mit Industriepartnern unter anderem in den USA, um Prototypen solcher Anwendungen aus ihrem Stahl zu produzieren. (Science, 2020; doi: 10.1126/science.aba9413)
Quelle: The University of Hong Kong
Foto: Unsplash
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