In Kombination mit Keramik wird Stahl belastbarer

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Technische Universität Bergakademie Freiberg

Bild 2 (siehe Bildergalerie) zeigt links das Wirkprinzip dieser Umwandlungen im Stahl. Eine ähnliche Wirkung wird durch die Bildung von Zwillingen erreicht (TWIP-Effekt). Die neu entwickelten Stähle decken einen breiten Festigkeits- und Dehnungsbereich ab. Durch Variation der Anteile der drei wesentlichen Legierungselemente (Cr, Mn, Ni) können sie gezielt auf höhere Festigkeiten oder auf sehr große Dehnungswerte eingestellt werden.

ZrO₂-Keramik erhält bei Belastung eine ähnliche Martensitstruktur

Auch die für die Composite-Werkstoffe mit TRIP-Stahlmatrix verwendete ZrO₂-Keramik zeigt bei Belastung eine ähnliche martensitische Phasenumwandlung. Das ZrO₂ in reiner Form tritt abhängig von der Temperatur in verschiedenen Gitterstrukturmodifikationen auf. Ausgehend von der Schmelze erstarrt es bei 2680 °C in einer kubischen Struktur (c-ZrO₂). Diese Struktur wandelt sich bei weiterer Abkühlung unter 2370 °C in eine tetragonale (t-ZrO₂) und unter 1700 °C in eine monokline Phase (m-ZrO₂) um. Bei letzterer Umwandlung tritt eine Volumenvergrößerung von 3 bis 5 % auf.

Um die für den Verbundwerkstoff wichtige tetragonale Phase bei Raumtemperatur und damit für die Verstärkung in TRIP-Stählen (Matrix) nutzen zu können, wird das Zirkonoxid mit Magnesiumoxid (MgO) teilstabilisiert (Mg-PSZ – Partially Stabilized Zirconia: teilstabilisiertes Zirkonoxid). Die infolge der äußeren Belastung des teilstabilisierten ZrO₂ eintretende Phasenumwandlung mit der einhergehenden Volumenvergrößerung ist ausschlaggebend für die Verstärkungseffekte in der Keramik.

Gestaltung der Grenzflächen zwischen Stahl und Keramik beeinflusst Verstärkungseffekt entscheidend

Diese Verstärkung wird durch die belastungsbedingte Auslösung der Phasenumwandlung in der tetragonalen Phase, die Ablenkung sich ausbreitender Risse an der tetragonalen Phase und die verstärkte Aufspaltung von Rissen in Mikrorissnetzwerke in der bereits umgewandelten monoklinen Phase bewirkt. Die Verstärkungsmechanismen wirken den von außen einwirkenden Belastungen entgegen [1]. Bild 2 zeigt rechts schematisch diesen Verstärkungseffekt.

Die Gestaltung der Grenzflächen zwischen den beiden Komponenten beeinflusst den Verstärkungseffekt entscheidend; die Grenzflächen müssen die äußeren Belastungen von der Stahlmatrix auf die eingelagerten ZrO₂-Partikel übertragen, um die martensitische Phasenumwandlung in einem relevanten Volumen zu erreichen. Dadurch kommt der TRIP-TWIP-Effekt bei den „Verbunden“ auch im beabsichtigten Umfang zum Tragen.

Eine pulvermetallurgische Fertigungsroute für Verbundwerkstoffe mit TRIP-Stahl als Matrix und ZrO₂-Partikel umfasst etablierte Verfahren wie Heißpressen (HP), heißisostatisches Pressen (HIP) oder das Spark-Plasma-Sintern (SPS). Dabei wird als Ausgangsmaterial ein trockenes Gemisch aus Stahl- und Keramikpulver mit einem Keramikanteil von 5, 10 oder 20 % verwendet.

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