Legering combineert sterkte en taaiheid

Wetenschappers van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf (D) hebben een nieuw type legering ontworpen die een dilemma in de staalindustrie kan oplossen. Het materiaal is namelijk zowel erg sterk als tegelijkertijd taai. Tot nu toe kon een materiaaleigenschap alleen worden verbeterd ten koste van de ander. Door de hoge sterkte en taaiheid kan de legering gebruikt worden bij metalen onderdelen met dunnere plaatdiktes. Dit bespaart materiaal en reduceert de totale massa.

In de meest gunstige situatie hebben staal- en staalgerelateerde legeringen zowel taaie als sterke eigenschappen: ze moeten niet fragmenteren, bijvoorbeeld tijdens de verwerking in een fabriek of tijdens een ongeval in het geval van een autocarrosserie. Met andere woorden, het materiaal moet ‘ductiel’ zijn, zoals de materiaalwetenschappers het benoemen. Het materiaal moet echter ook sterk zijn zodat ze niet vervormen of breken indien onderworpen aan bepaalde krachten. Een team onder leiding van Dierk Raabe, directeur van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung en Cemal Cem Tasan, voormalig hoofd van een onderzoeksgroep aan dit instituut en nu professor aan de Massachusetts Institute of Technology in de Verenigde Staten, is er nu in geslaagd om beide eigenschappen te combineren in één materiaal. Tot op heden zijn ductiele metallische materialen niet bijzonder sterk en vice versa. “We hebben een nieuwe strategie toegepast in de ontwikkeling van dit materiaal. Dit opende nieuwe mogelijkheden voor het ontwerp van het materiaal,” zegt Dierk Raabe. Het team begon met een materiaaltype dat al jaren uitgebreid is onderzocht door materiaalwetenschappers.

Hogesterkte legeringen

Als de atomen van de verschillende elementen verdeeld zijn over de posities in het kristalrooster zonder identificeerbare volgorde, dan spreekt men van een hoge entropie-legering. Dergelijke materialen kunnen bijzonder sterk zijn door de verschillende atomen in een structuur die dislocatie in het rooster tegen gaan. Er is echter één nadeel: het materiaal is erg bros. Daarentegen is staal dat hoofdzakelijk ijzer bevat, gewoonlijk met nog een ander hoofdcomponent en kleine hoeveelheden andere elementen zoals koolstof, vanadium of chroom vaak taai. Ze zijn niet bros maar ze zijn ook niet sterk genoeg voor de constructie van bijvoorbeeld carrosserieën met dunnere platen. In de kristallen van staal zijn de atomen min of meer regelmatig gerangschikt. Aan de hand van deze verschillende kristalroosters werd het nieuwe materiaal gecreëerd dat aan de ene kant zo sterk is als een hoge entropie-legering, en aan de andere kant twee naast elkaar bestaande kristalstructuren bevat. De legering bevat 50 procent ijzer, 30 procent mangaan en 10 procent chroom en kobalt. “Met deze legering hebben we aangetoond dat ons concept werkt”, zegt Raabe. “Als we de microstructuur en de samenstelling verder verbeteren, kunnen we de sterkte en taaiheid nog verder verhogen.” Het materiaal kan net zo goed en kostenefficiënt worden geproduceerd als ductiel staal.