Kohäsive Grenzflächen für zähe Nanostähle

Um zukünftigen Generationen eine lebenswerte Umwelt zu hinterlassen bedarf es technischer Lösungen, die es erlauben Energie einzusparen und nachhaltige Energiequellen zu nutzen. Zu diesem Zweck müssen eingesetzte Werkstoffe speziell in der Automobilindustrie zwei Voraussetzungen erfüllen. Erstens, werden hohe Festigkeiten benötigt, die Leichtbauweise und dadurch einen verringerten Energieverbrauch ermöglichen. Zweitens, müssen die eingesetzten Werkstoffe Wasserstoffbelastung für den Einsatz in wasserstoffbasierten Antriebssystemen standhalten. Beide Anforderungen gemeinsam, also hohe Festigkeit und Wasserstoffbeständigkeit stellen derzeit den heiligen Gral der Werkstoffentwicklung dar. Dieses Projekt will diese Herausforderung durch Korngrenzendesign auf der Nanoskala bezwingen. Als ersten Schritt, wird nanostrukturiertes Eisen hergestellt, indem das Material bis zu mehreren tausend Prozent Scherdehnung verformt wird. Dieses Vorgehen unterteilt das Material in nanometergroße kristalline Abschnitte, genannt Körner, die entlang der sogenannten Korngrenzen voneinander abgegrenzt sind. In solch hochfesten nano- Werkstoffen stellen Korngrenzen das schwächste Glied dar, von wo aus der Bruch initiiert und Versagen frühzeitig erfolgt. Wenn während der Anwendung Wasserstoff in das Material eintritt, wandert er zu den Korngrenzen, schwächt ihre Verbindung und beschleunigt dadurch das Versagen des Werkstoffes. Unser Schlüssel, um das Werkstoffversagen zu verzögern ist das Einbringen des Elements Bor in die nanostrukturierte Eisenprobe. Ausgehend von theoretischen Simulationen ist zu erwarten, dass Bor die Bindung der Korngrenzen festigt und somit den schädlichen Effekt von Wasserstoff bekämpft. Diese Annahme soll in zyklischen Biegeversuchen in einem Elektronenmikroskop validiert werden. Dabei wird nicht nur die Lebensdauer der Proben untersucht, sondern auch die Änderungen des Bruchverhaltens durch das Bor im Detail offengelegt. Durch die hohe Auflösung des Mikroskops kann der Bruchvorgang an Mikroproben, die kleiner als ein menschliches Haar sind, mit und ohne Wasserstoffatmosphäre verfolgt werden. Der Vergleich des Schädigungsvorgangs auf der Probenoberfläche mit den aufgenommenen mechanischen Daten erlaubt es Versagensmechanismen offenzulegen und den Bor-Gehalt für eine möglichst hohe Probenlebensdauer zu optimieren. In einem zweiten Schritt, wird das Bor-Konzept auf perlitische Nanostähle, die derzeit höchstfesten Strukturwerkstoffe, übertragen. Im Falle einer erfolgreichen Entwicklung, stehen universelle Designkriterien für höchstfeste Werkstoffe zur Verfügung, die sowohl die Anforderungen an Leichtbau als auch Wasserstoffbeständigkeit erfüllen.