AutoindustrieStahl, der sich selbst repariert

Trotz Carbon und Aluminium sehen Forscher im klassischen Werkstoff Stahl noch viel Potenzial. Er soll leichter werden und bei Unfällen Schaden minimieren. von Susanne Kilimann

Eine Karosserie, präsentiert auf der Hannover Messe im April 2012 (Archivbild)

Eine Karosserie, präsentiert auf der Hannover Messe im April 2012 am Stand des Stahlherstellers Salzgitter AG (Archivbild)  |  © Fabian Bimmer/Reuters

Aluminium, Magnesium und faserverstärkte Kunststoffe: Über neue Leichtbaumaterialien für die Autobranche wird seit einigen Jahren viel gesprochen und geschrieben, der althergebrachte Werkstoff Stahl scheint aus dem Rennen. Der Anteil der innovativen Alternativen nimmt in Studien und Konzeptfahrzeugen, aber auch in Serienmodellen kontinuierlich zu.

Mit einem Anteil von über 50 Prozent ist Stahl jedoch immer noch der mit Abstand wichtigste Werkstoff für die Automobilindustrie. Allerdings hat auch Stahl in den vergangenen Jahren einige Veränderungen durchgemacht. Durch die Zugabe von Metallen wie Mangan, Nickel und Chrom haben Stahlhersteller ihre Produkte verändert und auf die wachsenden Anforderungen der Autobauer abgestimmt.

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Den Werkstoff und damit das Auto leichter zu machen, um Verbrauch und Emissionen zu senken, war und ist dabei das vorrangige Ziel. Aber nicht das einzige, die Forscher wollen auch andere Eigenschaften der Karosserie weiter verbessern. Sie soll sich bei einem Unfall kalkulierbar verformen, möglichst viel Aufprallenergie schlucken und nicht zerreißen.

Die Lösung liegt in den Kristallstrukturen

Die Materialentwickler konzentrieren sich dabei auf die Kristallgitterstrukturen, also auf die räumliche Anordnung der Atome in den winzigen Kristallen, die sich beim Abkühlen einer Schmelze bilden. Diese Strukturen bestimmen das Verhalten des Materials. Seit einiger Zeit ist dabei der Trip-Effekt im Blickpunkt. Trip steht für transformation-induced plasticity, was übersetzt "durch Kristallgitter-Transformation induzierte plastische Verformbarkeit" bedeutet.

Herkömmliche Trip-Stähle sind seit mehr als zehn Jahren auf dem Markt. Sie zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit von bis zu 700 Megapascal aus. Zum Vergleich: Ein Knochen bricht bei einer mechanischen Spannung von etwa 230 Megapascal. Die Trip-Stähle lassen sich um etwa 35 Prozent dehnen. Das ist den Eisenexperten nicht genug, auch weil das Dehnvermögen bereits bei der Herstellung des Autos weitgehend "aufgebraucht" wird.

Diesen Vorgang muss man sich so vorstellen: Karosserie-Bleche werden zumeist mit dem sogenannten Tief- oder Streckziehen geformt. Dazu werden sie in eine Presse gelegt und in die gewünschte Form gebracht. Je dehnbarer das Material ist, desto besser lässt es sich in Form pressen, ohne zu zerreißen. Bei herkömmlichem Trip-Stahl führt schon das Tiefziehen dazu, dass sich die Atome im Material in einer festen Kristallstruktur anordnen. Wirken Kräfte erneut auf das Stahlblech, etwa bei einem Unfall, lässt es sich kaum noch dehnen. Die Karosserie hat dann nur noch eine Dehnungsreserve von fünf Prozent.

Leserkommentare
  1. " Zugabe von Metallen ... " Das heißt legieren.

    " Eine Mangan-Silizium-Aluminium-Legierung ... "
    Da felt noch Eisen, sonst wäre es kein Stahl.

    Reines Aluminium kommt im Auto höchstens für elektrische Leitzwecke vor.
    Es sind immer Aluminium- oder Leichtmetall-Legierungen.

    Auch Stahl ist eine Legierung, er enthält mindestens Kohlenstoff. Reines Eisen ist technisch fast nicht zu gebrauchen.

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    • Billy51
    • 09. September 2012 17:32 Uhr

    In Eisen ist als natürliche Beimengung immer Kohlenstoff (C) vorhanden. Dieses ist dann aber keine Legierung. Legieren ist die Beimengung von Metallen.
    Der C-Gehalt im Eisen kann künstlich reduziert werden (=frischen). Ab einem C-Gehalt von unter 2,06% wird das Eisen dann Stahl genannt; darüber Gußeisen.
    Reines Eisen (C=0%) ist als definitionsgemäß ein Stahl. Dieses ist auch sinnvoll, weil sich ein Stahl durch seine Duktilität (=Verformbarkeit) auszeichnet und nicht (wie meistens angenommen wird) durch seine Festigkeit.

  2. Zu allem Überfluss des Produzierens sind die Ressourcen auch nicht unbegrenzt.
    Jedes dritte Jahr kauft der typische Deutsche ein neues Auto, und muss es, damit die Branche so weiter produzieren kann. Wenn sich dann etwas ändert, herrscht große Not, weil werniger Umsatz und weniger Arbeitsplätze.

    Jetzt diskutiert man mit den "Chancen des Stahls" eine Richtung in die Zukunft, die in Wahrheit keine Zukunft haben kann. Umdenken ist nicht nur die Devise, sondern wenn man es nicht tut, verschärft man alle späteren Probleme, und hat es nur jetzt einigermaßen gut (aus Sicht der Profiteure und Konzerne).

    Die Mentalität "nach uns die Sintflut" wird durch den Wachtumsgedanken und Konzerndenken unglaublich intensiv gefördert , zudem die künstliche Existenznot, das seinige dazu beiträgt, dass immer weiter, wenn auch besser und effektiver roduziert wird.

    Was man dabei anfeuert ist die Illusion, dass es immer so weiter gehen kann. Und so wie es aussieht, glauben das sehr viele Menschen oder sie haben keine Meinung darüber (kennen den Gedanken nicht).

    Wir brauchen ganz andere Methoden. Ein Auto, darf auch mal eine Schramme bekommen. Ersatzteile sollten stabil sein. Und am besten wäre doch noch, die Vielfalt der Automobile abzuschaffen, nur wenig Auswahl zu bieten, und wie bei einem Open Source Projekt dann das beste Auto zu bauen.

    So einfach kann es sein, aber wir machen es uns schwer, weil wir das Konkurrenzdenken anbeten.

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    Stahl kann relativ leicht recycled werden, und das findet auch schon längst statt. Das Auto dürfte zu den am meisten recycleten Produkten der Welt gehören.

    Beim recyclen von Stahl wird außerdem deutlich weniger Energie verbraucht als bei z.B. Aluminium.

    • xRGBx
    • 16. Juli 2012 16:20 Uhr

    "Und am besten wäre doch noch, die Vielfalt der Automobile abzuschaffen, nur wenig Auswahl zu bieten, und wie bei einem Open Source Projekt dann das beste Auto zu bauen."

    Hieß Trabbi, musste 20 Jahre im Voraus bestellt werden und war kein vollwertiges Auto, nach westlichen Standards gemessen, obwohl es soviel wie ein 3er gekostet hat.

    Nein, Danke.

    • Zack34
    • 16. Juli 2012 21:07 Uhr


    ... aber bei den Sätzen:

    "Wir brauchen ganz andere Methoden. Ein Auto, darf auch mal eine Schramme bekommen. Ersatzteile sollten stabil sein."

    musste ich herzlich lachen. Die Kette "Methoden -> dürfen Schrammen bekommen -> stabile Ersatzteile" könnte von der Documenta kommen. Ich bin mir sicher, dass nun die gesamte (dt.) Autoindustrie sich um Sie reißen wird.

    Und am besten wäre doch noch, die Vielfalt der Automobile abzuschaffen, nur wenig Auswahl zu bieten, und wie bei einem Open Source Projekt dann das beste Auto zu bauen...

    So (!) einfach könne es sein, aber wir machten es uns schwer, weil wir das Konkurrenzdenken anbeteten...

    Großartig Meister, Bravo, ... weiter so...

    ROFL

  3. 3. Stahl

    Stahl kann relativ leicht recycled werden, und das findet auch schon längst statt. Das Auto dürfte zu den am meisten recycleten Produkten der Welt gehören.

    Beim recyclen von Stahl wird außerdem deutlich weniger Energie verbraucht als bei z.B. Aluminium.

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    Antwort auf "Falsche Richtung"
  4. ...
    das lese ich aus dem Artikel:

    "Herkömmliche Trip-Stähle sind seit mehr als zehn Jahren auf dem Markt. Sie zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit von bis zu 700 Megapascal aus. Zum Vergleich: Ein Knochen bricht bei einer mechanischen Spannung von etwa 230 Megapascal".

    Gilt das für ein Stahlstück gleicher Form und Dicke wie ein Knochen oder was ist damit gemeint?

    Ich kann als Nicht-Ingenieur mit den MPa-Werten nicht viel anfangen und freue mich über einen sinnvollen Vergleich, der das anschaulicher macht. Der ist aber hier eher verwirrend...

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    Es gibt mehrere Prüfverfahren um die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffes zu testen. Das Verfahren auf welches hier wohl Bezug genommen werden soll ist der sog. Zugversuch.
    Hierbei wird eine Werkstoffprobe mit genormten Abmessungen in eine Prüfmaschien eingespannt, welche die Probe dann quasi "auseinanderzieht" bis sie reißt.
    Hierbei wird ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm aufgezeichnet, welches u.A. zeigt bis zu welcher Spannung (hier in N/mm²) der Werkstoff belastet werden kann und wann er reißt.
    Es ist noch wichtig zu wissen, dass Materialien in der Praxis nie bis zu dem "Reißwert" belastet werden sollen. Vielmehr gibt es an einen Punkt an dem sich das Material plastisch (also dauerhaft) verformt. Dieser Punkt gilt in der Praxis als Richtwert. Hierzu kommen dann noch verschiedene Sicherheitsfaktoren.

    Der Vergleich mit einem Knochen ist aber schon ein bisschen komisch da es sich bei einem Knochen ja nicht um ein homogenes Material handelt wie es z.B. Stahl ist.

  5. MPa, früher Newton pro Quadratmillimeter, bezeichnet eine Kraft je Flächeneinheit.

    Das nennt sich technisch hier eine Spannung.

    Deswegen ist da eine Größenangabe nicht sinnvoll.

    Das ist in dem Artikel alles richtig und schlüssig.

    • xRGBx
    • 16. Juli 2012 16:20 Uhr

    "Und am besten wäre doch noch, die Vielfalt der Automobile abzuschaffen, nur wenig Auswahl zu bieten, und wie bei einem Open Source Projekt dann das beste Auto zu bauen."

    Hieß Trabbi, musste 20 Jahre im Voraus bestellt werden und war kein vollwertiges Auto, nach westlichen Standards gemessen, obwohl es soviel wie ein 3er gekostet hat.

    Nein, Danke.

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    Antwort auf "Falsche Richtung"
  6. Es gibt mehrere Prüfverfahren um die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffes zu testen. Das Verfahren auf welches hier wohl Bezug genommen werden soll ist der sog. Zugversuch.
    Hierbei wird eine Werkstoffprobe mit genormten Abmessungen in eine Prüfmaschien eingespannt, welche die Probe dann quasi "auseinanderzieht" bis sie reißt.
    Hierbei wird ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm aufgezeichnet, welches u.A. zeigt bis zu welcher Spannung (hier in N/mm²) der Werkstoff belastet werden kann und wann er reißt.
    Es ist noch wichtig zu wissen, dass Materialien in der Praxis nie bis zu dem "Reißwert" belastet werden sollen. Vielmehr gibt es an einen Punkt an dem sich das Material plastisch (also dauerhaft) verformt. Dieser Punkt gilt in der Praxis als Richtwert. Hierzu kommen dann noch verschiedene Sicherheitsfaktoren.

    Der Vergleich mit einem Knochen ist aber schon ein bisschen komisch da es sich bei einem Knochen ja nicht um ein homogenes Material handelt wie es z.B. Stahl ist.

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    Dann geht es also um die reine Zugfestigkeit und der Querschnitt der Werkstoff- (oder Knochen-)probe fließt in den Wert ein, womit Form und Größe nicht unbedingt relevant sind.
    Jetzt habe ich es hoffentlich kapiert...

  7. Dann geht es also um die reine Zugfestigkeit und der Querschnitt der Werkstoff- (oder Knochen-)probe fließt in den Wert ein, womit Form und Größe nicht unbedingt relevant sind.
    Jetzt habe ich es hoffentlich kapiert...

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    Genau. Sie bekommen damit praktisch immer einen Wert "aushaltbare Kraft pro Querschnitssmillimeter".
    Kleines Beispiel: Ein Werkstoff kann eine Kraft von 10N/mm² aushalten. Wenn er nun in der Anwendung mit 120N beaufschlagt werden soll muss das Teil mindestens mit einer Querschnittsfläche von 12mm² ausgelegt werden.

    Es freut mich, wenn ich Ihnen helfen konnte. :)

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