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Stahl Legierungen werden fest und formbar

| Redakteur: Dorothee Quitter

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung präsentieren einen neuartigen metallischen Werkstoff, der gleichzeitig sehr fest und trotzdem gut formbar ist. Bislang ließ sich die eine Materialeigenschaft nur auf Kosten der anderen verbessern.

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(Bild: Nature 2016 / Max-Planck-Instituts für Eisenforschung)

Die Wissenschaftler setzten bei einem Typ von Materialien an, der in der Werkstoffwissenschaft seit ein paar Jahren untersucht wird, aber für viele Anwendungen bisher zu spröde ist: Legierungen, in die Metallurgen ähnliche Mengen von typischerweise fünf oder mehr verschiedene Metallen mischen.

Atomares Durcheinander macht Legierungen fest

Da sich die Atome der verschiedenen Elemente ohne erkennbare Ordnung auf die Positionen in den Kristallgittern dieser Stoffe verteilen und die Entropie gewissermaßen ein Maß für die Unordnung ist, heißen die Materialien Hochentropie-Legierungen. Solche Materialien können besonders fest sein, weil das Durcheinander der vielen verschiedenen Atome in einer Struktur die Bewegung von Versetzungen erschwert. Versetzungen sind Fehler im Kristallgitter, die durch einen Kristall wandern, wenn ein Material verformt wird. Die hohe Festigkeit der Legierungen mit der atomaren Unordnung bringt jedoch bislang auch einen Nachteil mit sich: Wenn ein solches Material unter einer Last nachgibt, verformt es sich üblicherweise sehr abrupt und bricht rasch: es verhält sich spröde.

Durch Wechsel der Kristallstruktur wird das Material duktil

Stähle, die hauptsächlich Eisen, in der Regel eine weitere Hauptkomponente und geringe Mengen anderer Bestandteile wie etwa Kohlenstoff, Vanadium oder Chrom enthalten, sind dagegen oft duktil. Sie sind also gerade nicht spröde, dagegen bislang oft noch nicht fest genug, um beispielweise den Bau von dünnwandigeren Autokarosserien zu ermöglichen. In den Kristallen von Stählen sind die Atome mehr oder weniger regelmäßig angeordnet. Besonders duktil werden Stähle allerdings, wenn sie dabei von einer in eine andere Struktur wechseln können. Denn dieser Prozess schluckt Energie, die in dem Material dann keinen Schaden mehr anrichten kann. In einer Karosserie oder anderen stählernen Bauteilen wechseln sich dann winzige Bereiche mit den beiden verschiedenen Atomordnungen ab.

Genau das Nebeneinander unterschiedlicher Kristallstrukturen galt in Hochentropie-Legierungen als schädlich – bislang. Die Wissenschaftler haben nach einem Material geforscht, das einerseits fest ist wie eine Hochentropie-Legierung und andererseits wie besonders duktile Stähle zwei Kristallstrukturen nebeneinander aufweist. Bei der Suche herausgekommen ist eine Legierung aus 50 % Eisen, 30 % Mangan und jeweils 10 % Cobalt sowie Chrom. Nun arbeiten die Forscher an der Verbesserung der Mikrostruktur und der Zusammensetzung. Die metallischen Werkstoffe aus der Düsseldorfer Materialschmiede dürften sich dann so leicht und kostengünstig verarbeiten lassen wie ein besonders duktiler Stahl und als Karosserie in einem Unfall auch genauso viel Energie des Aufpralls aufnehmen. Gleichzeitig dürfte der Werkstoff so fest sein, dass auch dünne und somit preiswerte sowie ressourcenschonende Bleche nicht schon bei einem schwachen Stoß nachgeben. (qui)

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