Die Erforschung der Materialeigenschaften von Stahl kann sich bezahlt machen. Je genauer man weiß, wie die Komponenten von Stahl angeordnet sind, desto eher kann es gelingen, die einander häufig ausschließenden Eigenschaften wie Verformbarkeit und Festigkeit gemeinsam zu erreichen. Marianne Kapp vom Erich Schmid Institut für Materialwissenschaft (ESI) erforscht die Grundlagen für eine derartige Optimierung von Stahlblechen für Autos. Mobilität hat - nicht zuletzt wegen des Treibstoffverbrauchs - ihren Preis. Leichtere Autos zu bauen, könnte dazu beitragen, Benzin und Diesel zu sparen. Aber, sind die Autos dann noch sicher, wenn leichtere und damit dünnere Stahlbleche verwendet werden? Auf Fragen solcher Art erhofft man sich Antworten aus der Materialwissenschaft - beispielsweise vom Materials Center Leoben. Einer der wissenschaftlichen Hauptakteure in diesem Zentrum ist das Erich Schmid Institut für Materialwissenschaft (ESI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Marianne Kapp ist eine der beteiligten ESI-Wissenschafter(innen). Sie erforscht im Rahmen ihrer Dissertation die "Verformung und Bruch von hochfesten modernen Multiphasenstählen". Die Zusammenarbeit mit dem Projektpartner aus der Industrie, der Voestalpine Stahl GmbH, wird im Rahmen des Kompetenzzentrenprogramms COMET K2 insgesamt dreieinhalb Jahre gefördert. Die Bauteilherstellung erleichtern, die Crash-Performance verbessern Ob ein Auto einen Zusammenstoß mehr oder weniger gut aushält, hängt unter anderem von der Qualität der verwendeten Stahlbleche ab. Sie sollen dünn und fest, aber keinesfalls spröde sein. Wenn man dünnere Bleche verwendet, wird die gleiche Last auf einen dünneren Querschnitt übertragen. Deswegen muss das Blech fester werden um die gleiche Sicherheit zu garantieren. Aber in herkömmlichem Stahl gilt: je fester, umso spröder! Die Steigerung der Festigkeit geht auf Kosten von Duktilität und Bruchzähigkeit, zwei essentielle Eigenschaften für eine rissfreie Umformbarkeit im Zuge der Bauteilherstellung und für eine gute Crash-Performance. Unter Duktilität versteht man die Fähigkeit eines Materials sich zu dehnen; mit Bruchzähigkeit ist der Widerstand des Materials gegen Rissbildung und -wachstum gemeint. Bei einem seitlichen Zusammenstoß ist die sogenannte B-Säule eines Autos ein für die Sicherheit kritischer Bestandteil. Sie ist die stählerne Verbindung zwischen Fahrzeugboden und Fahrzeugdach im mittleren Bereich der Fahrgastzelle. Wird für die B-Säule ein spröder Stahl verwendet, so bricht sie leicht. Sie wird splittern und durch die Bruchstücke eine zusätzliche Gefahr für die Fahrzeuginsassen darstellen. Wenn man die B-Säule allerdings aus einem duktilen und bruchzähen Stahl herstellt, verbiegt sie sich zwar, bricht aber nicht. Das Verbiegen verbraucht mehr Energie, was wiederum heißt, dass die Wucht des Aufpralls größer sein kann. Stahlrisse vermeiden Marianne Kapp vom ESI möchte nun herausfinden, wie man die Rissbildung beim Verformen von Stahl hintan hält. "Mich interessiert, an welchen 'Hebeln' man ansetzen muss, um die Bruchzähigkeit von hochfestem Stahl zu erhöhen", fasst die Dissertantin zusammen. Unter hochfestem Stahl versteht man sogenannte Multiphasenstähle, die Festigkeit und Duktilität auf einem hohen Level vereinen. Möglich ist dies durch die Kombination von harten und weichen Gefügebestandteilen, auch Phasen genannt. "Dieses Werkstoffkonzept hat zwar große Fortschritte in der Duktilität gebracht, es gibt aber noch einiges Verbesserungspotenzial in punkto Bruchzähigkeit", so Kapp. Die täglichen Arbeiten der Wissenschafterin sind Tests im Bereich der Bruchmechanik, deren Ergebnisse sie mittels Rasterelektronenmikroskopie bewertet. Sie setzt die Proben direkt im Rasterelektronenmikroskop einem Zugmechanismus aus. Bei jedem Verformungsschritt werden Bilder aufgenommen und mit einer speziellen Software (Digital Image Correlation) miteinander verglichen. Bei etwa 5000-facher Vergrößerung werden die Gefügebestandteile optimal dargestellt. So kann man die einzelnen Phasen, deren Größe sich im Bereich einiger Mikrometer bewegt, unterscheiden und jene Gefügebestandteile identifizieren, die am stärksten verformt werden. "Damit wissen wir, von wo Risse ausgehen und welche Phasenkombinationen die Anforderungen im Automobilbau erfüllen können. Diese Erkenntnisse fließen in die metallurgische Herstellung ein, und führen am Ende zu einem verbesserten Blech. Das ist im optimalen Fall fester, duktiler und zäher!", hofft Marianne Kapp. Kontakt: DI Marianne Kapp, Dissertantin Prof. Dr. Otmar Kolednik, Betreuer Erich Schmid Institut für Materialwissenschaft (ESI) Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) T +43 3842 804 309 marianne.kapp@mcl.at www.oeaw.ac.at/esi www.mcl.at April 2010
		Sensible Sensoren