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Verbundwerkstoffe

In Kombination mit Keramik wird Stahl belastbarer

| Autor/ Redakteur: Peter Michael und andere / Josef-Martin Kraus

Um die Belastbarkeit von TRIP-Stählen zu erhöhen, bietet sich die Verstärkung mit ZrO2-Keramik an. Basis ist die martensitische Phasenumwandlung, die in beiden Komponenten auftritt und lokale Überbeanspruchung kompensiert. Mit der Kombination entsteht eine neue Verbundwerkstoffklasse für höchstbelastbare Bauteile.

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Bild 1: Keramische Makrostruktur (links) und mit TRIP-Stahl infiltrierte Hohlspaghetti-Struktur (rechts).
Bild 1: Keramische Makrostruktur (links) und mit TRIP-Stahl infiltrierte Hohlspaghetti-Struktur (rechts).
(Bild: TU Freiberg)

Seit mehr als vier Jahren forscht ein interdisziplinäres Team der TU Bergakademie Freiberg an einer neuen Klasse von Verbundwerkstoffen auf der Basis von Zirkonoxidkeramik (ZrO2) und TRIP-Stählen – von Legierungen mit umwandlungsinduzierter Plastizität (Transformation Induced Plasticity). Das geschieht im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereiches (SFB) 799 „TRIP-Matrix-Composite“.

Stahl und Keramik sollen Leichtbau voranbringen

Die Vision des Forschungsvorhabens besteht darin, einen Innovationsschub im Bereich der Sicherheits- und Leichtbaukonstruktionen durch gezielte Anpassung funktionaler und adaptiver mechanischer Eigenschaften an die Bauteilbeanspruchung zu erreichen. Dazu erforschen Wissenschaftler an der TU Bergakademie Freiberg Möglichkeiten zur Kombination und Beeinflussung der in beiden Werkstoffkomponenten auftretenden martensitischen Phasenumwandlung, die lokale Überbeanspruchungen kompensieren und dadurch die Belastbarkeit der Verbundwerkstoffe erhöhen kann.

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Diese Werkstoffe können nicht nur in klassischen Verfahren pulvermetallurgisch hergestellt werden, sondern auch durch plastische Formgebung. Dabei kommen neue Verfahren zur Anwendung, die eine effiziente, günstige und endkonturnahe Herstellung von Halbzeugen und Bauteilen ermöglichen. Dadurch lässt sich der Fertigungsaufwand minimieren und die industrielle Produktentwicklung zeitlich verkürzen.

Ziel der Erforschung der neuartigen Werkstoffe, Strukturen und Verfahren ist die Herstellung höchstbeanspruchter Bauteile mit herausragenden Sicherheitseigenschaften bezüglich des Insassenschutzes von Kraft-, Schienen- und Luftfahrzeugen. Ein wichtiger konstruktiver Ansatz ist dabei ein an die Bionik angelehntes Design der Mikro- und Makrostruktur. Weitere zukunftsträchtige Anwendungsbereiche werden im Maschinenbau gesehen – bei höchstbelastbaren Verschleiß- und Trägerkomponeten.

Martensitische Umwandlung während der Verformung

Die Arbeiten im Sonderforschungsbereich 799 konzentrieren sich nicht nur auf die Erforschung der Verbundwerkstoffe, sondern beginnen bereits bei der Entwicklung der speziell an die Anforderungen der Composites angepassten CrMnNi-Stähle mit TRIP-/TWIP-Effekt – Twinning Induced Plasticity (TWIP): durch Zwillingsbildung induzierte Plastizität. Diese Stähle haben die Fähigkeit, bei Verformung sich martensitisch umzuwandeln und somit eine zusätzliche Verformbarkeit und gesteigerte Festigkeit zu erzielen (TRIP-Effekt). Bei der verformungsinduzierten Umwandlung ändert sich die Gitterstruktur des kubischflächenzentrierten Austenits in den hexagonalen ε-Martensit und bei weiterer Deformation in den kubischraumzentrierten α‘-Martensit. Jede dieser Martensitbildungen löst einen TRIP-Effekt aus, wenn sie im plastischen Deformationsbereich der Ausgangsphase stattfinden.

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