Od ponad czterech lat interdyscyplinarny zespół na Technische Universität Bergakademie Freiberg prowadzi badania nad nową klasą kompozytów na bazie tlenku cyrkonu (ZrO2) i stali TRIP (Transformation Induced Plasticity) - stopów o plastyczności wywoływanej przez przemianę. Odbywa się to w ramach badań specjalnych (Sonderforschungsbereich) 799 „TRIP-Matrix-Composite", finansowanych przez Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). Zamiarem projektu badawczego jest uzyskanie postępu innowacyjnego w dziedzinie lekkich i bezpiecznych konstrukcji, przez odpowiednie dostosowanie funkcjonalnych i adaptacyjnych właściwości mechanicznych do obciążenia elementu konstrukcyjnego. W tym celu naukowcy na Bergakademie Freiberg prowadzą badania nad możliwością połączenia i oddziaływania na martenzytyczną przemianę fazową, występującą w obu komponentach materiałowych, a pozwalającą na kompensowanie miejscowych przeciążeń i tym samym na zwiększenie wytrzymałości kompozytów.

Materiały te mogą być produkowane nie tylko klasycznymi technologiami metalurgii proszków, ale także przez obróbkę plastyczną. Stosuje się przy tym nowe technologie umożliwiające efektywną, korzystną i zbliżoną do końcowych konturów produkcję półfabrykatów i elementów konstrukcyjnych. Dzięki temu można zminimalizować nakład na konstrukcję i skrócić proces przemysłowego opracowywania wyrobu.

Celem badań nad nowoczesnymi materiałami, strukturami i technologiami jest opracowanie elementów konstrukcyjnych o wysokiej wytrzymałości, z wyróżniającymi się właściwościami zapewniającymi bezpieczeństwo pasażerów pojazdów samochodowych, szynowych i samolotowych. Ważnym założeniem konstrukcyjnym jest oparta na bionice mikro- i makrostruktura. Zakłada się, że w przyszłości możliwe będzie zastosowanie podobnych elementów w przypadku części ulegających zużyciu i części nośnych poddanych wysokim obciążeniom.

Przemiana martenzytyczna podczas odkształcania
Prace wykonywane w obszarze badań specjalnych 799 koncentrują się nie tylko na badaniu kompozytów, ale rozpoczynają się już przy opracowaniu stali CrMnNi z efektem TRIP/TWIP - Twinning Induced Plasticity (TWIP): plastyczności wywołanej przez bliźniakowanie, specjalnie dostosowanej do wymagań kompozytów. Stale te mają zdolność przemiany martenzytycznej pod wpływem odkształcenia i tym samym osiągnięcia dodatkowej ciągliwości i zwiększonej wytrzymałości (efekt TRIP). Przy przemianie wywołanej przez odkształcenie zmienia się budowa sieci austenitu regularnego płaskocentrycznego na heksagonalny martenzyt ε, a przy dalszym odkształceniu na regularny, przestrzenno-centryczny martenzyt α'. Każdy z tych wytworzonych martenzytów wywołuje efekt TRIP, jeżeli zachodzi w obszarze odkształcenia plastycznego fazy wyjściowej.

Na ilustracji 2a przedstawiono zasadę działania tych przemian w stali. Podobny skutek osiąga się przez wytworzenie bliźniakowania (efekt TWIP). Nowe stale pokrywają szeroki zakres wytrzymałości i wydłużenia. Przez zmianę udziałów trzech istotnych pierwiastków stopowych (Cr, Mn, Ni) można osiągnąć wyższe wytrzymałości lub bardzo duże wartości wydłużenia.

Efekt wzmocnienia
Również ceramika ZrO2, używana w materiałach kompozytowych z osnową stali TRIP, wykazuje pod obciążeniem podobną przemianę fazową martenzytyczną. ZrO2 w czystej postaci występuje - zależnie od temperatury - w różnych modyfikacjach siatki. Wychodząc z ciekłego metalu krzepnie ona w temperaturze 2680 oC w strukturze regularnej (c-ZrO2 ). Przy dalszym ochłodzeniu, poniżej 2370°C, struktura ta przekształca się na strukturę tetragonalną (t-ZrO2), a poniżej 1700°C - w fazę jednoskośną (m-ZrO2). Przy tej ostatniej przemianie występuje powiększenie objętości o od 3 do 5%.

W celu wykorzystania istotnej dla kompozytu fazy tetragonalnej w temperaturze pokojowej i tym samym wzmocnienia stali TRIP (osnowa) dokonuje się częściowej stabilizacji tlenku cyrkonu za pomocą tlenku magnezu (MgO) (MgPSZ - Partially Stabilized Zirconia: częściowo stabilizowany tlenek cyrkonu). Przemiana fazowa, występująca wskutek zewnętrznego obciążenia częściowo stabilizowanego ZrO2, związana z powiększeniem objętości, decyduje o efekcie wzmocnienia w ceramice.
Wzmocnienie to jest powodowane przez wynikającą z obciążenia inicjację przemiany fazowej w fazie tetragonalnej, odchylenie rozprzestrzeniających się rys na fazie tetragonalnej i zwiększone rozszczepianie rys w sieci mikrorys już poddanej przemianie w fazie jednoskośnej. Mechanizmy wzmacniające przeciwdziałają działającym od zewnątrz obciążeniom [1]. Na ilustracji 2b przedstawiono schematycznie efekt wzmocnienia.

Ukształtowanie powierzchni granicznych pomiędzy oboma komponentami ma decydujący wpływ na efekt wzmocnienia; powierzchnie graniczne muszą przenosić obciążenia zewnętrzne z osnowy stali na cząsteczki ZrO2, aby osiągnąć martenzytyczną przemianę fazową o istotnej wielkości. Tym samym uzyskuje się zamierzony zakres efektu TRIP - TWIP przy „połączeniu", również w zamierzonym zakresie.

Technologia metalurgii proszkowej, stosowana dla kompozytów ze stalą TRIP jako osnową i cząsteczkami ZrO2, obejmuje stosowane technologie, jak prasowanie na gorąco (HP), prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) albo spiekanie metodą SPS. Jako materiał wyjściowy stosuje się przy tym suchą mieszankę proszku stalowego i ceramicznego z udziałem ceramiki w ilości 5, 10 albo 20%.