Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Düsseldorfer Max-Planck-Wissenschaftler entwickeln Stahl mit knochenähnlichen Eigenschaften

10.03.2017

Neuer Stahl birgt enormes Potential die Sicherheit von Strukturwerkstoffen, welche zyklischer Belastung ausgesetzt sind, zu optimieren.

1998 ereignete sich eins der schwersten Zugunglücke Deutschlands in Eschede, Niedersachsen. Ein Radreifen brach und brachte den Zug zur Entgleisung. Grund hierfür war Materialermüdung. Stetige Belastung bestimmter Bauteile beispielsweise in Zügen, Flugzeugen oder auch Kraftwerken, birgt ein hohes Risiko für Materialermüdung und letztendlich –bruch.


Max-Planck-Wissenschaftler entwickeln Stahl mit knochenähnlichen Eigenschaften

M. Wang, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Bisherige Versuche dieses Risiko zu mindern, bauen auf kostspielige Sicherheitsmaßnahmen, die die statistische Lebensdauer von Bauteilen beachten. Die Mikrostruktur der verwendeten Materialien wurde jedoch, aufgrund der vielfältigen möglichen Facetten von Materialermüdung, nicht grundlegend verändert.

Inspiriert durch die exzellenten Eigenschaften von Knochen bezüglich Ermüdung, hat ein internationales Team rund um Materialwissenschaftler des Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf, einen Stahl entwickelt, der in seiner Struktur dem menschlichen Knochen ähnelt und dadurch einen ähnlich hohen Ermüdungswiderstand aufweist. Ihre bahnbrechenden Forschungsergebnisse veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift Science.

Wenn ein Material regelmäßig belastet wird, bilden sich in jedem Material auf der Mikro- und Nanoebene feinste Risse, die mit der Dauer der Belastung fortschreiten und zum Materialversagen führen können. Das Ziel des internationalen Forscherteams war es, ein Material zu entwickeln, welches auf der Mikro- und Nanoebene die Ausbreitung dieser Risse frühestmöglich stoppt.

Das Ergebnis ist eine Legierung aus Eisen, Mangan, Nickel und Aluminium. Diese besteht aus verschiedenen metastabilen Phasen, die in Nanometer-großen Lamellen geordnet sind. Eine Phase ist eine Kristallstruktur, in welcher die Atome in einem Metall angeordnet sind. Durch Beeinflussung dieser Struktur ist es möglich, die Eigenschaften des Metalls grundlegend zu beeinflussen.

Die Materialwissenschaftler passten die Struktur der Grenzen zwischen den einzelnen Phasen, der sogenannten Grenzflächen, und die Stabilität der Phasen so an, dass der neu entwickelte Stahl resistent gegen multiple Rissbildung auf der Mikroebene ist.

„Um zu prüfen, ob die exzellenten Ermüdungseigenschaften unseres Stahls auch wirklich auf die lamellenartige Mikrostruktur zurückzuführen sind, haben wir ihn mit konventionellen Stählen verglichen“, so Dierk Raabe, Direktor am MPIE und einer der Autoren der Science-Publikation. In zahlreichen Experimenten verglich das Team rund um Raabe die Ermüdungseigenschaften des neuen Stahls mit denen von Dual-Phasen-Stählen, die typischerweise für Kraftfahrzeuge verwendet werden, mit perlitischen Stählen, welche in Stahlseilen für Brücken angewendet werden, und mit TRIP-Stählen, die vor allem in Fahrzeugkarossen Anwendung finden.

Zudem veränderten die Forscher testweise die Mikrostruktur ihrer Legierung erneut und beobachteten die Verschlechterung der Ermüdungsresistenz. Auf diese Art bestätigten die Forscher ihre Annahme, dass der verbesserte Ermüdungswiderstand des neu entwickelten Stahls auf dessen lamellenartige, multiphasen Mikrostruktur zurückzuführen ist.

Geplant sind nun weitere Optimierungsschritte, unter anderem durch thermodynamische und kinetische Verbesserungen zur weiteren Stabilisierung der austenitischen Phasen, um die bestmögliche Ermüdungsresistenz herzustellen. Das Team aus Forschern des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung, der Kyushu University Japan und des Massachusetts Institute of Technology, USA, geht davon aus, dass sie unter Anwendung des gleichen Materialaufbaus auch weitere Legierungen verbessern können. Somit birgt diese Strategie enormes Potential die Sicherheit von Strukturwerkstoffen, welche zyklischer Belastung ausgesetzt sind, zu optimieren.

Originalpublikation:
M. Koyama, Z. Zhang, M. Wang, D. Ponge, D. Raabe, K. Tsuzaki, H. Noguchi, C. C. Tasan: Bone-like crack resistance in hierarchical metastable nanolaminate steels. Science 10 Mar 2017:Vol. 355, Issue 6329, pp. 1055-1057. DOI: 10.1126/science.aal2766

Weitere Informationen:

http://www.mpie.de

Yasmin Ahmed Salem | Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Europaweit einzigartiges Forschungszentrum geht an den Start
14.08.2018 | Technische Universität Chemnitz

nachricht Quantenketten in Graphen-Nanobändern
09.08.2018 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Der Roboter als „Tankwart“: TU Graz entwickelt robotergesteuertes Schnellladesystem für E-Fahrzeuge

Eine Weltneuheit präsentieren Forschende der TU Graz gemeinsam mit Industriepartnern: Den Prototypen eines robotergesteuerten CCS-Schnellladesystems für Elektrofahrzeuge, das erstmals auch das serielle Laden von Fahrzeugen in unterschiedlichen Parkpositionen ermöglicht.

Für elektrisch angetriebene Fahrzeuge werden weltweit hohe Wachstumsraten prognostiziert: 2025, so die Prognosen, wird es jährlich bereits 25 Millionen...

Im Focus: Robots as 'pump attendants': TU Graz develops robot-controlled rapid charging system for e-vehicles

Researchers from TU Graz and their industry partners have unveiled a world first: the prototype of a robot-controlled, high-speed combined charging system (CCS) for electric vehicles that enables series charging of cars in various parking positions.

Global demand for electric vehicles is forecast to rise sharply: by 2025, the number of new vehicle registrations is expected to reach 25 million per year....

Im Focus: Der „TRiC” bei der Aktinfaltung

Damit Proteine ihre Aufgaben in Zellen wahrnehmen können, müssen sie richtig gefaltet sein. Molekulare Assistenten, sogenannte Chaperone, unterstützen Proteine dabei, sich in ihre funktionsfähige, dreidimensionale Struktur zu falten. Während die meisten Proteine sich bis zu einem bestimmten Grad ohne Hilfe falten können, haben Forscher am Max-Planck-Institut für Biochemie nun gezeigt, dass Aktin komplett von den Chaperonen abhängig ist. Aktin ist das am häufigsten vorkommende Protein in höher entwickelten Zellen. Das Chaperon TRiC wendet einen bislang noch nicht beschriebenen Mechanismus für die Proteinfaltung an. Die Studie wurde im Fachfachjournal Cell publiziert.

Bei Aktin handelt es sich um das am häufigsten vorkommende Protein in höher entwickelten Zellen, das bei Prozessen wie Zellstabilisation, Zellteilung und...

Im Focus: The “TRiC” to folding actin

Proteins must be folded correctly to fulfill their molecular functions in cells. Molecular assistants called chaperones help proteins exploit their inbuilt folding potential and reach the correct three-dimensional structure. Researchers at the Max Planck Institute of Biochemistry (MPIB) have demonstrated that actin, the most abundant protein in higher developed cells, does not have the inbuilt potential to fold and instead requires special assistance to fold into its active state. The chaperone TRiC uses a previously undescribed mechanism to perform actin folding. The study was recently published in the journal Cell.

Actin is the most abundant protein in highly developed cells and has diverse functions in processes like cell stabilization, cell division and muscle...

Im Focus: Arctic Ocean 2018 - Forscher untersuchen Wolken und Meereis in der Arktis

"Arctic Ocean 2018": So heißt die diesjährige Forschungsexpedition des schwedischen Eisbrechers ODEN in der Arktis, an der auch ein Wissenschaftler der Universität Leipzig beteiligt ist. Noch bis zum 25. September wollen die etwa 40 Forscher an Bord vor allem das mikrobiologische Leben im Ozean und im Meereis untersuchen und wie es mit der Wolkenbildung in der Arktis zusammenhängt.

Während der Fahrt durch die Arktis, die Ende Juli gestartet ist, sollen im Rahmen der Kampagne MOCCHA 2018 (Microbiology-Ocean-Cloud-Coupling in the Hight...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

EEA-ESEM Konferenz findet an der Uni Köln statt

13.08.2018 | Veranstaltungen

Digitalisierung in der chemischen Industrie

09.08.2018 | Veranstaltungen

Herausforderung China – Wissenschaftler aus der ganzen Welt diskutieren miteinander auf UW/H-Tagung

03.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Weltkleinster Transistor schaltet Strom mit einzelnem Atom in festem Elektrolyten

13.08.2018 | Energie und Elektrotechnik

Your Smartphone is Watching You: Gefährliche Sicherheitslücken in Tracker-Apps

13.08.2018 | Informationstechnologie

Was wir von Ameisen und Amöben über Koordination und Zusammenarbeit lernen können

13.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics