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Wie Stahl widerstandsfähig gegen Kälte wird

Technik|Digitales

Wie Stahl widerstandsfähig gegen Kälte wird
Japanische Forscher haben eine neue günstige Methode entwickelt, mit der sie Stahl auch ohne Zusätze widerstandsfähig gegen Kälte machen können: Sie erhitzen die Eisen-Kohlenstoff-Mischung und behandeln sie dann mit einer Art Riesennudelholz. Dadurch entsteht im Material eine faserartige Struktur, die den Stahl auch bei Temperaturen bis minus 60 Grad Celsius biegsam hält. Andere Stahlvarianten werden schon sehr viel früher spröde ? es sei denn, ihnen sind teure Metalle wie Nickel oder Kobalt zugesetzt.

Stahl ist hauptsächlich eine Mischung aus Eisen und Kohlenstoff, der in vielen Fällen noch andere Elemente zugefügt werden. Die Zusammensetzung entscheidet dabei über die Eigenschaften. Je mehr Kohlenstoff beispielsweise ein Stahl enthält, desto härter, aber auch desto spröder wird er. Ein niedriger Kohlenstoffgehalt wiederum sorgt für eine gute Biegsamkeit, geht jedoch zulasten der Härte. Moderne Herstellungsverfahren zielen daher darauf ab, eine möglich hohe Härte bei einer guten Dehnbarkeit zu gewährleisten. Das ist besonders bei niedrigen Temperaturen, wie sie etwa in arktischen Gewässern herrschen, ein Problem, da Stahl ab einer bestimmten, von der Zusammensetzung abhängigen Temperatur sehr spröde wird. In diesem Zustand können schon kleinste Risse zu einem Zerbrechen beispielsweise von Schiffsrümpfen führen.

Widerstandsfähiger gegen Rissbildung, dabei aber gleichzeitig auch deutlich teurer, sind Stähle mit einem hohen Anteil an Zusätzen. Dahinter steckt eine Veränderung der Mikrostruktur des Stahls, die die Fortpflanzung von Rissen im Material behindert. Genau das haben nun Yuuji Kimura vom Nationalinstitut für Materialwissenschaften in Tsukuba und sein Team auch durch ihre rein thermisch-mechanische Behandlung erreicht: Anstelle der eher runden Kristallkörner, die bei der klassischen Stahlherstellung entstehen, enthält der modifizierte Stahl langgestreckte, reiskornartige Partikel, die zudem noch mit winzigen Karbidkristallen gesprenkelt sind. Diese Körner ordnen sich so an, dass sie übereinander liegen und dabei eine Art faserige Schichtstruktur bilden. Tritt nun ein Riss auf, kann er zwar die Schichten auseinanderdrücken, verliert dabei einen Großteil seiner Energie, so dass er sich nicht weiter fortpflanzen kann. Wenn der Stahl dann doch reißt, sieht die Rissfläche eher wie ein zerfasertes Holzstück aus.

Der behandelte Stahl hat bei normalen Temperaturen in etwa die gleiche Härte wie herkömmliche Varianten, bleibt aber bei Kälte viel länger stabil. Da keine teuren Zusätze nötig sind, sollte seine Herstellung vergleichsweise günstig sein. Er könnte daher beispielsweise für Eisbrecher, Pipelinerohre oder auch Tanks für sehr kalte flüssige Gase eingesetzt werden. Einzige Einschränkung: Da er durch die Schichtstruktur nicht in alle Richtungen gleich belastbar ist, könnte es bei sehr dünnen Blechen, die starken Belastungen unterworfen sind, Probleme geben.

Nature, Onlinedienst Originalarbeit der Forscher: Yuuji Kimura (Nationalinstitut für Materialwissenschaften, Tsukuba) et al.: Science, Bd. 320, S. 1057 ddp/wissenschaft.de ? Ilka Lehnen-Beyel
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