Damit könnten sich Bauteile aus Metall künftig dünnwandiger konstruieren und dadurch Ressourcen schonen lassen.

Material wird nicht spröde

«Wir haben bei der Entwicklung dieses Materials eine neue Strategie verfolgt, die generell neue Möglichkeiten für das Design metallischer Werkstoffe schafft», sagt MPIE-Direktor Dierk Raabe. Das Team setzte bei einem Typ von Materialien an, der in der Werkstoffwissenschaft seit Jahren untersucht wird, aber für viele Anwendungen bisher zu spröde ist: Legierungen, in die Metallurgen ähnliche Mengen von typischerweise fünf oder mehr verschiedenen Metallen mischen.

Da sich die Atome der Elemente ohne erkennbare Ordnung auf die Positionen in den Kristallgittern dieser Stoffe verteilen und die Entropie ein Mass für die Unordnung ist, heissen die Materialien Hochentropie-Legierungen. Solche Materialien können fest sein, weil das Durcheinander der vielen verschiedenen Atome in einer Struktur die Bewegung von Versetzungen erschwert. Versetzungen sind Fehler im Kristallgitter, die durch einen Kristall wandern, wenn ein Material verformt wird. Die Festigkeit der Legierungen mit der atomaren Unordnung bringt aber auch einen Nachteil mit sich: Wenn ein solches Material unter einer Last nachgibt, verformt es sich üblicherweise sehr abrupt und bricht rasch - es ist spröde.

Weitere Verbesserung möglich

Stähle, die hauptsächlich Eisen, in der Regel eine weitere Hauptkomponente und geringe Mengen anderer Bestandteile wie etwa Kohlenstoff, Vanadium oder Chrom enthalten, sind dagegen oft duktil - so bezeichnen die Materialwissenschaftler die Fähigkeit zur plastischen Verformung eines Metalls. Die Forscher haben nach einem Material gesucht, das einerseits fest ist wie eine Hochentropie-Legierung und andererseits wie besonders duktile Stähle zwei Kristallstrukturen nebeneinander aufweist. Bei der Suche herausgekommen ist eine Legierung aus 50 Prozent Eisen, 30 Prozent Mangan und jeweils zehn Prozent Cobalt sowie Chrom.

«Wenn wir die Mikrostruktur und die Zusammensetzung weiter verbessern, können wir die Festigkeit und Duktilität aber sicher noch stärker erhöhen», so Raabe. Die metallverarbeitende Industrie bräuchte sich somit nicht länger zwischen festen und duktilen Werkstoffen entscheiden. Die metallischen Werkstoffe aus der Düsseldorfer Materialschmiede dürften sich dann so leicht und kostengünstig verarbeiten lassen wie ein besonders duktiler Stahl und als Karosserie in einem Unfall auch genauso viel Energie des Aufpralls aufnehmen. Gleichzeitig dürfte der Werkstoff so fest sein, dass auch dünne und somit preiswerte sowie ressourcenschonende Bleche nicht schon bei einem schwachen Stoss nachgeben.

(kjc/pte)