Verformungs-Martensit in Violinsaiten aus rostfreiem Stahl

Rostfreien Stahldraht kennt man im Alltag als Saite für Streich- oder Zupfinstrumente oder im zahnmedizinischen Bereich für Zahnspangen und dergleichen. Schon auf den ersten Blick ist es interessant, daß sich die mechanischen Eigenschaften sehr deutlich von denen des nicht verformten Ausgangsmaterials aus der selben Legierung unterscheiden. Auch auf mikroskopischer Ebene zeigt sich beim Draht eine deutlich unterschiedliche und um ein vielfaches komplexere Mikrostruktur, als beim Vorprodukt. Während des Ziehprozesses wandelt sich das Kristallgitter zum Großteil durch Deformation von der kubisch-flächenzentrierten Struktur, dem sogenannten Austenit, in eine kubisch- raumzentrierte Gitterstruktur, den sogenannten Martensit, um. Abgesehen davon, daß schon alleine die neue Gitterstruktur die mechanischen und magnetischen Eigenschaften deutlich verändert, erzeugt dieser Prozess zusätzlich in beiden Phasen sehr viele Fehlstellen und Verzerrungen, die eine hohe Verfestigung bewirken. Der kalt gezogene Stahldraht zeigt außerdem eine starke Textur, was sich dadurch äußert, daß er in Ziehrichtung deutlich andere Eigenschaften wie normal dazu hat. Obwohl die zu untersuchenden Drähte Durchmesser kleiner als 1 mm aufweisen, zeigen sie Eigenschaftsgradienten über den Querschnitt, welche von Temperatur- und Verformungsunterschieden im Draht während des Ziehprozesses herrühren. Ziel dieses Projekts ist es, die verformungsinduzierte martensitische Umwandlung, hervorgerufen durch den Drahtziehprozess, an Hand verschiedener Ziehstufen zu studieren. Zusätzlich zu den verschiedenen chemischen Zusammensetzungen der drei Chargen sollte auch der Ziehprozess variiert und mit den Eigenschaftswerten des Saite korreliert werden. Hierbei wird unter anderem die Zunahme an Martensit mit Hilfe von Röntgenbeugungsanalyse quantitativ gemessen. Die mikrostrukturellen Unterschiede werden im Transmissions- Elektronenmikroskop ermittelt und die mechanischen Kennwerte durch den Zugversuch. Die vergleichende Untersuchung der einzelnen Ziehschritte ermöglicht es dann, das Endprodukt rostfreier Stahldraht besser zu verstehen. Parallel erfolgt die Untersuchung der Dämpfungseigenschaften und der magnetischen Eigenschaften, beides von großer Bedeutung für den Einsatz als Musiksaiten. Die Erforschung der verformungsinduzierten Martensitbildung unter den komplizierten, mehrachsigen Spannungszuständen beim Drahtziehen ist aber nicht alleine von naturwissenschaftlichem Interesse. Bei Saiten aus rostfreien Stahldraht ist der Klang durch die Dämpfung innerhalb der komplexen Mikrostruktur aus Restaustenit, Verformungsmartensit und Versetzungen bedingt, die sich radial stark ändert. Wissenschaftlicher Fortschritt auf diesem Gebiet hilft, den Klang der Saiten und ihre Reproduzierbarkeit zu verbessern und sowohl die Einspielbedingungen als auch die Alterung ("totspielen") werkstoffkundlich zu begründen. Das erwartete Ergebnis hat somit auch eine nicht zu unterschätzende musikalisch und kulturelle Bedeutung.

Dünne Drähte aus korrosionsbeständigem Stahldraht werden oft für spezielle Anwendungsgebiete wie Saiten für Streichinstrumente verwendet. Dabei spielen neben hoher Festigkeit und der Beständigkeit gegen Schweiß die, für die Spielbarkeit eines Streichinstruments unerläßliche, definierte mechanische Dämpfung und damit zusammenhängend die Klangeigenschaften eine entscheidende Rolle. Beim Kaltziehen entsteht aus dem 18 8 Cr- Ni-Stahl, der eine austenitische Mikrostruktur hat, ein komplexes Gefüge, das einen hohen Anteil an verformungsinduziertem Martensit enthält, der zur Drahtoberfläche hin abnimmt, da die Martensitbildung dort durch höhere Temperaturen unterdrückt wird, welche durch die starke plastische Verformung und die Reibung mit den Ziehsteinen entstehen. Der Saitendraht ist durch 50-100 nm dünne, nadelförmige Körner, eine hohe Versetzungsdichte und eine ausgeprägter Textur gekennzeichnet. Die Elastizitätsmoduli der untersuchten Proben zeigen eine deutliche Abhängigkeit von der Kaltverformung, wobei sich hierbei, ebenso wie beim Martensitgehalt Chargenunterschiede zeigen. Um zu verstehen, wie dieses Gefüge mit seinen besonderen Eigenschaften entsteht, wurden drei unterschiedliche Chargen der Ziehstufen aus dem Kaltziehprozeß hinsichtlich ihrer Mikrostruktur mit licht- und elektronenmikroskopischen Methoden untersucht und durch Synchrotronstrahlungs-Linienprofilanalyse bezüglich der Gefügecharakteristika Korngrößen, Mikrodehnungen und Defektwahrscheinlichkeiten charakterisiert. Parallel dazu erfolgte die Messung des Gehalts an Martensit, und der mechanischen Eigenschaften. Auch die Thermospannung, also die Spannung, die sich zwischen den Kontaktstellen zweier unterschiedlicher Metalle aufbaut, wenn diese auf verschiedener Temperatur gehalten werden und die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes wurden ermittelt, da auch sie Aufschluß über die Gefügeeigenschaften geben. Außerdem wurde ein Prüfstand gebaut, um die Verschiedenheit im Klang der Geigensaiten meßbar zu machen. Die hierbei gemessenen Unterschiede fielen allerdings geringer als erwartet aus und betrafen nur Saiten, welche sich sowohl im Klang als auch im Elastizitätsmodul deutlich unterscheiden. Auf diesem Gebiet gewonnene Erkenntnisse haben auch eine praktische wirtschaftliche Bedeutung, da auch in einer so traditionellen Branche wie der Saitenherstellung im Zweijahresrhythmus Produktinnovationen zur Sicherung der Marktposition notwendig sind.