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Eisenforschung

Nanoperlen für die Stahlschmiede

| Autor/ Redakteur: Yasmin Ahmed Salem / M.A. Frauke Finus

Stahl gibt es inzwischen seit rund 3000 Jahren und heute sogar in mehreren Tausend Variationen, und trotzdem ist er immer wieder für Überraschungen gut. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung in Düsseldorf haben in einem manganhaltigen Stahl eine Entdeckung gemacht, die vermutlich im Guten wie im Schlechten die Eigenschaften des Materials beeinflusst.

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Strukturwandel im Stahl: Mit Aufnahmen eine Transmissions-Elektronenmikroskops (grau) machen Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung Liniendefekte, in einer Legierung aus Eisen (Fe) und Mangan (Mn) sichtbar.
Strukturwandel im Stahl: Mit Aufnahmen eine Transmissions-Elektronenmikroskops (grau) machen Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung Liniendefekte, in einer Legierung aus Eisen (Fe) und Mangan (Mn) sichtbar.
(Bild: MPI für Eisenforschung)

Die einzelnen Kristallkörner, aus denen sich jedes Metall zusammensetzt, kann man als Stapel einzelner Atomlagen betrachten. Liniendefekte, genauer gesagt Stufenversetzungen entstehen, wenn eine Schicht unvollständig bleibt, sodass und die darüber- und die darunterliegende Schicht eine Stufe nehmen müssen. Da sich die Länge der Liniendefekte in 1 m3 Stahl aber auf ein Lichtjahr summieren kann, dürfte die Entdeckung große praktische Bedeutung haben. Denn von der Struktur eines Stahls hängt unter anderem ab, wie formbar, wie fest und wie zäh er ist – Eigenschaften, die Materialwissenschaftler immer weiter verbessern wollen.

Ketten manganreicher Nanoperlen im Stahl

Versetzungen können Leben retten. Denn die eindimensionalen Defekte in einem Metall spielen eine große Rolle, wenn sich das Material verformt. Etwa dann, wenn ein Autoblech in einem Unfall zerknautscht wird, dabei einen Großteil der Aufprallenergie abfängt und die Insassen hoffentlich vor Verletzungen schützt. Die Versetzungen wirken dabei wie Nanoscharniere, an denen sich ein Metall biegt. Dass sich die Kristallstruktur direkt an dem Liniendefekt von der Struktur darum herum unterscheidet, dürfte daher auch beeinflussen, wie sich ein Metall verformt. Im ungünstigen Fall reißt es eher, als sich zu verformen. „Wie sich die räumlich begrenzten chemischen und strukturellen Zustände in dem Material auf dessen Eigenschaften auswirken, wissen wir noch nicht“, sagt Dierk Raabe, Direktor am Max- Planck-Institut für Eisenforschung und Leiter der Studie, in der die Abweichler in der Mikrostruktur gerade erst zutage getreten sind. „Über die Zustände sind wir eher zufällig gestolpert“, sagt Raabe.

Er untersuchte mit seinem Team die Mikro- und Nanostruktur eines besonders festen und zähen manganhaltigen Stahls, der mit Nanopartikeln verstärkt ist und etwa im Fahrwerk großer Flugzeuge verbaut wird. Dieses Material analysierten sie mithilfe der Atomsonden-Tomografie. Dabei wird eine Probe Atom für Atom mit kurzen Pulsen einer elektrischen Spannung verdampft. Aus der Flugzeit zu einem Detektor lässt sich ermitteln, zu welchem Element das abgelöste Atom gehört. Aus der Stelle, an der das Atom im Detektor einschlägt, seine Position in der Probe.

Die andere Kristallstruktur am Defekt hilft Energie sparen

„Dabei ist uns aufgefallen, dass sich die Konzentration des Mangans entlang bestimmter Linien erhöhte, nachdem wir das Material erhitzt hatten“, erklärt Dirk Ponge, der an der Studie maßgeblich beteiligt war. Nur 2 nm sind die feinen Schläuche weit, in denen sich das Mangan sammelt. Und das tut es auch nicht auf ganzer Linie, sondern eher in Form einer Kette manganreicher Nanoperlen. Um die größere Zahl an Manganatomen in diesen winzigen Arealen unterzubringen, muss sich die Kristallstruktur des Materials ändern. Abweichungen von der regulären Kristallstruktur eines Metalls kannten Materialwissenschaftler bislang nur in zweidimensionaler Form, nämlich von den Grenzen der einzelnen Kristallkörner, die einen Werkstoff bilden. Warum aber fanden sich auch im Inneren einzelner Martensit-Kristallkörner filigrane Austenit-Strukturen?

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