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Department Metallkunde und Werkstoffprüfung

Stiftungsprofessur und Lehrstuhl für Stahldesign – BMVIT Professur für Industrie

Entwicklung der Stähle des 21. Jahrhunderts – beginnend beim atomaren Aufbau

Prof. Ronald Schnitzer

Mit 1. Jänner 2016 wurde der neue Lehrstuhl für Stahldesign am Department Metallkunde und Werkstoffprüfung der Montanuniversität Leoben etabliert. Der im Rahmen der FFG-Initiative "Production of the Future" gegründete Lehrstuhl wird seinen Hauptforschungsschwerpunkt in der Entwicklung moderner Hochleistungsstähle haben. Ein Schwerpunkt dabei soll die Charakterisierung mittels hochauflösender Methoden bilden. Ebenso soll der Lehrstuhl in den laufenden Vorlesungs- und Übungsbetrieb der Studienrichtungen Werkstoffwissenschaft und Metallurgie eingebunden werden. Ein besonderer Fokus soll auf der angewandten Grundlagenforschung in Form von industrienahen Kooperationen und Forschungsprojekten liegen. Die Professur für Stahldesign hat Dipl.-Ing. Dr.mont. Ronald Schnitzer angetreten.

Stahl ist mit weltweit ungefähr 1,6 Milliarden produzierten Jahrestonnen nach wie vor der bedeutendste Konstruktionswerkstoff. Forschung und Entwicklung von Stählen als Hochleistungsmaterial wird endscheidend zu den Schlüsselthemen des 21. Jahrhunderts, wie Nachhaltigkeit, Reduktion von CO 2-Emissionen, Energieeinsparung und Recycling, beitragen. Zielsetzung des Lehrstuhls für Stahldesign ist die Entwicklung von neuen und Optimierung von bestehenden Hochleistungsstählen. Dies soll durch einen neuen integrativen Ansatz gelingen, der neue Legierungskonzepte für Stähle und deren energieeffiziente Produktion beinhaltet. Darüber hinaus sollen bereits die Anwendungen in der Automobilindustrie, der Energieumwandlung und -verteilung und im Verkehr- und Transportwesen beim Stahldesign berücksichtigt werden. In Bezug auf die Automobilindustrie ist beispielsweise der Trend zur Leichtbauweise inklusive der Erhöhung der Personensicherheit einer der treibenden Faktoren für die Entwicklung neuer hochfester Stähle. Dabei sollen die Festigkeit und Zähigkeit zugleich erhöht werden und somit die bisherigen Gesetzmäßigkeiten weiter ausgereizt werden. Für derartige Anwendungen und Anforderungen sind neuartige Stähle mit verbesserten chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften erforderlich. Die Basis dafür sind ein umfassendes Verständnis der metallurgischen Herstellprozesse, der Weiterverarbeitungsverfahren, wie Schmieden und Walzen, der Legierungseinstellung, der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen, als auch der Anwendungsmöglichkeiten von Stählen.

Anwendungsbeispiel: Untersuchung des atomaren Aufbaus von Hochleistungswerkstoffen

Eine der hochauflösensten Methoden, die für die Entwicklung und das Verständnis moderner Hochleistungsstähle eingesetzt werden kann, ist die Atomsondentomographie (siehe Bild 1). Mithilfe dieser ist es möglich den atomaren Aufbau von Werkstoffen zu untersuchen und so wesentlich zum, für die Entwicklung neuer Stähle unabdingbarem, Verständnis der Struktur-Eigenschaftsbeziehung beizutragen. In Bild 2 ist beispielhaft das Ergebnis einer Atomsondenmessung dargestellt. Besonderes Augenmerk ist auf den Maßstab zu legen, der sich im Nanometerbereich (1 nm = 10 -6 mm) befindet. Jeder rote Punkt entspricht einem gemessen Eisenatom. Die blauen rundlichen Teilchen stellen Ausscheidungen im Material dar, die in diesem Fall aus einer Anreicherung von Nickel- und Aluminiumatomen bestehen. Durch die Legierungszusammensetzung kann die Anzahl, die Dichte, der Abstand und die chemische Zusammensetzung dieser Ausscheidungen beeinflusst werden. Diese haben wiederum direkten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit und Dehnung des Stahls. Durch Kenntnis und Modifikation dieses atomaren Aufbaus können somit die Eigenschaften und Anwendungen des Werkstoffs neu definiert werden.

Bild 1: Atomsonde: Detektion des atomaren Aufbaus
Bild 2: Beispielhaftes Ergebnis einer Atomsondenmessung

Unterstützt soll die Stahlentwicklung durch den Einsatz von Simulation- und Modellierungswerkzeugen werden, welche komplementär zu den experimentellen und analytischen Methoden eingesetzt werden. Das erfordert eine starke interdisziplinäre Zusammenarbeit des neuen Lehrstuhls mit anderen materialbezogenen Instituten und Lehrstühlen der Montanuniversität Leoben. Die Forschungsaktivitäten des neuen Lehrstuhls sollen zur Erreichung, Stärkung und Ausbau des Technologievorsprungs heimischer stahlerzeugender und -verarbeitender Unternehmen beitragen und die Produktionsstandorte in Österreich absichern. Obwohl die Montanuniversität Leoben bereits State-of-the-art Ausstattung im Bereiche der Werkstoffcharakterisierung besitzt, sind im Rahmen der Stiftungsprofessur weitere Investitionen für Charakterisierungsmethoden, die maßgeschneiderte für Stähle sind, geplant. Die Stiftungsprofessur und der neu gegründete Lehrstuhl werden aus Mitteln der FFG, der Industrie und der Montanuniversität Leoben finanziert. Einer der wichtigsten Kooperationspartner aus der Industrie ist der führende österreichische stahlbasierende Technologie- und Sachgüterkonzern voestalpine.