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Bionik: Stahl nach dem Vorbild von Knochen

Knochen verfügen über eine hohe Stabilität - Quelle: Pixabay

Stahl ist ein vielfältig eingesetztes Material, denn es kann je nach Zusammensetzung unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Als Stahl werden metallische Legierungen bezeichnet, deren Hauptbestandteil Eisen ist. So kann Stahl in Form von z.B. Weißblech zu Konservendosen verarbeitet werden. Hier hat es die Eigenschaften weich und flexibel. Ebenso kann es aber auch hart und spröde sein, wie z.B. bei Messern. Stahllegierungen werden u.a. in Brücken, Flugzeugen und für Gleise und Züge eingesetzt. Stahllegierungen sind zwar flexibel und äußerst widerstandsfähig, doch zyklische Belastungen können das Material ermüden lassen. Risse entstehen, dehnen sich aus und schließlich kommt es zum Bruch. Dem lässt sich nur durch Wartung und Austausch entgegenwirken.

Forscher haben sich im Kampf gegen die Bildung von Mikrorissen in Stahllegierungen von Knochen inspirieren lassen. Bei Knochen sorgen in verschiedenen Richtungen laufende Versteifungen für eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher Elastizität. Für die Herstellung des Knochen-ähnlichen Stahls haben die Forscher Legierungen unter anderem Mangan, Nickel und Aluminium zugesetzt und einer Nachbehandlung bei 600 Grad Celsius unterzogen. Durch dieses Verfahren bildeten sich im Stahlgefüge wechselnden Anordnungen kristalliner Bereiche, die entweder eine lamellenartige oder eine schuppenartige Struktur im Nanometerbereich aufwiesen.

Die Forscher fanden drei Eigenschaften, die einer Mikrorissbildung entgegenwirken. Die besten Ergebnisse erzielt eine Kombination aller drei Eigenschaften:

  1. Eine Schichtstruktur, bei der zusammenhängende Areale innerhalb des Materials wie Fischschuppen aufeinanderliegen. So können Mikrorisse sich nicht weiter ausbreiten.
  2. Ein Mix aus härteren und weicheren Bereichen. Die Energie zur Überwindung dieser Phasen benötigt viel Energie, wodurch die Ausbreitung von Rissen gehemmt wird.
  3. Eine Form der Metastabilität: So wirken Bereiche metastabiler Zuständen ebenfalls der Ausbreitung von Rissen entgegen. Ein metastabiler Zustand ist stabil gegen kleine Änderungen, aber instabil gegenüber größeren Änderungen. Ein metastabiler Zustand lässt sich mit einem Ball vergleichen, der einen Berg hinab ins Tal rollt. Hat er genug Energie, kann er auch kleinere Hügel überwinden und so zwischen stabilen Zuständen wechseln.

Die Eigenschaften des Knochen-Stahls sollen nun zum Einsatz in größeren Maßstäben geprüft werden. Vergleich mit verschiedenen Stählen zeigte eine deutlich höhere Dauerbelastbarkeit der neuen Stahllegierung.

Quellen:

Originalquelle / Publikation:

  • Science: Bone-like crack resistance in hierarchical metastable nanolaminate steels, 10.03.2017

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