Ultrahochfeste Stähle Neuer Stahl erreicht doppelte Energieaufnahmekapazität

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Ultrahochfeste Stähle haben zwar eine hohe Festigkeit, aber keine gute Dehnbarkeit. Bis jetzt. Einem internationalen Forschungsteam ist es gelungen, Mittel-Mangan-Stähle zu entwickeln, die eine Zugfestigkeit von 2,2 Gigapascal bei einer Dehnung von 20 Prozent aufweisen. Dafür wurde eine neue Verarbeitungsroute angewandt.

Materialwissenschaftler in der Eisenforschung beschäftigen sich gegenwärtig vor allem mit drei Stahl-Eigenschaften: Nachhaltigkeit, Festigkeit und Verformbarkeit. Sie müssen Legierungen entwickeln, die mit preiswerten und nachhaltigen Elementen auskommen und die industrielle Anwendbarkeit der entwickelten Stähle berücksichtigen. Ein Forschungsteam der chinesischen Northeastern University und des Düsseldorfer Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE) hat nun eine neue Designstrategie für sogenannte Mittel-Mangan-Stähle entwickelt, die die drei Eigenschaften optimiert.

Neue Verarbeitungsroute beeinflusst Gefügestruktur

Alle verwendeten ultrahochfesten Stähle haben eine Gemeinsamkeit: ihr Martensitgefüge folgt keinen topologischen Gestaltungs- oder Formkriterien. Das Gefüge erhöht zwar die Festigkeit, verringert aber aufgrund der fehlenden Struktur die Duktilität des Materials. Mit dieser Schwachstelle beschäftigte sich das Forschungsteam. Wie das MPIE mitteilt, konnten durch mehrmaliges Schmieden, einer Behandlung unter kryogenen Bedingungen und Vergütung zahlreiche Mikromechanismen aktiviert werden, die das Material stärken und duktiler machen. Durch dieses Vorgehen werde der größte Teil des Austenits in Martensit umgewandelt, wobei der Martensit lamellenartig angeordnet und zweifach topologisch ausgerichtet ist. Der so kreierte Stahl erreiche eine Zugfestigkeit von 2,2 Gigapascal und lasse sich um 20 Prozent dehnen. Dieser Wert übertrifft die Energieaufnahmekapazität derzeitiger Stähle um den Faktor zwei, heißt es.

Die Wissenschaftler fanden mit Methoden wie Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie sowie Atomsondentomographie heraus, welchen Einfluss die einzelnen Verarbeitungsschritte haben. Laut MPIE führt das Schmieden zu einer höheren Versetzungsdichte und zu stärker verteilten Nanoausscheidungen, was zu einer höheren Dehnbarkeit führt. Die hohe Duktilität sei eine Folge der Versetzungen im Martensit und der allmählichen, durch Verformung angeregten Phasenumwandlung.

Hochskalieren auf industriellen Maßstab möglich

Nach Angaben des MPIE ist die entwickelte Designstrategie mit den bestehenden industriellen Verfahren kompatibel und soll sich einfach und effizient hochskalieren lassen. Das Forschungsteam will die Legierungszusammensetzung und die Verarbeitungsroute jetzt für andere martensitische Legierungsklassen anpassen, um auch für diese hohe Festigkeit und Duktilität zu kombinieren.

Zur Originalpublikation in der Fachzeitschrift Science

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