Mit High-Tech-Forschung ins Innerste des Stahls

03. März 2026 | Lesedauer: 8 Minuten

Den Geheimnissen des Stahls kommen sie täglich auf die Spur: In Salzgitter und Duisburg analysieren die Expertinnen und Experten der Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH (SZMF) dazu die Mikrostruktur des Werkstoffs.

Wer einen Werkstoff verbessern möchte, muss dessen Innenleben kennen. Kaum jemand kommt dem Stahl so nahe wie die Mitarbeitenden in der Metallographie der Salzgitter AG. Ihre Arbeit ist unverzichtbar. Denn Stahl ist nicht gleich Stahl. „Legierung, Umformung und Wärmebehandlung verändern immer die Mikrostruktur eines Werkstoffs und definieren damit zwangsläufig seine Eigenschaften“, sagt Markus Krieger, Leiter der Werkstoffcharakterisierung bei der SZMF. Deshalb ist es unabdingbar, diese Mikrostruktur zu entschlüsseln. Wie ein spezieller Stahl tickt, verraten seinen Kolleginnen und Kollegen die Muster und Farben, die unter dem Lichtmikroskop dank tausendfacher Vergrößerung sichtbar werden.

Bild von Markus Krieger — Markus Krieger, Leiter der Werkstoffcharakterisierung bei der SZMF

Auch Stahl braucht Fingerspitzengefühl

Die dafür notwendigen Vorarbeiten leisten Fachleute wie Timo Barthelmes, Metallograph bei der SZMF in Salzgitter. Dazu bereitet er in Kunstharz gegossene Stahlproben vor. Für das Lichtmikroskop muss er die Probenoberfläche so präparieren, dass sie das Licht optimal reflektiert. Deshalb schleift und poliert er die Schnittkanten, die ins Kunstharz eingebettet werden. Klingt einfach, ist aber komplex. Ob längs zur Walzrichtung, quer zu einer Schweißnaht oder entlang eines Bauteilfehlers: Barthelmes muss genau wissen, wie er präpariert. „Die beste mikroskopische Analyse ist wertlos, wenn Fehler bei der Präparation – wie Kratzer, Verformungen oder Verschmutzungen – das wahre Gefüge verfälschen“, berichtet Barthelmes.

Bild von Timo Barthelmes — Timo Barthelmes, SZMF-Mitarbeiter in Salzgitter, bereitet Stahlproben für den Präparationsautomaten vor.

Mitarbeitende im Bereich der Metallographie und Werkstoffprüfung verwenden dazu extrem filigrane Schleifpapiere mit bis zu 2.400er Körnung. Zum Vergleich: Heimwerkende nutzen zur Endbearbeitung von Holzmöbeln in der Regel Schleifpapier, das in etwa zwanzigfach gröber ist. Muss es für Barthelmes und das Team noch exakter werden, arbeiten sie mit Präparationsautomaten.

Bereits nach dem Polieren der Proben können die SZMF-Teams nichtmetallische Einschlüsse von wenigen Mikrometern Größe erkennen. Zum Beispiel sauerstoff- und schwefelhaltige Reaktionsprodukte, Oxide und Sulfide, die aus der Stahlherstellung resultieren. Sie sind entscheidend: Wie widerstandsfähig ein Stahl unter Belastung reagiert, hängt von deren Art, Menge, Größe und Verteilung im Stahl ab.

Mikrostruktur des Stahls freilegen

Bild einer Topografie von Stahl im Rasterelektronenmikroskop, zeigt orange und gelb eingefärbte bergähnliche Strukturen vor grauem Hintergrund – visualisiert innere Materialstrukturen und mögliche Einschlüsse. — Kein Korallenriff – sondern Zink-Dendriten: Dabei handelt es sich um Skelettkristalle einer verzinkten Stahloberfläche.

Aber die Mitarbeitenden in der Metallographie tauchen meist noch tiefer in das Wesen des Werkstoffs ein: Hierfür ätzen sie die Probe nach dem Polieren. So wird das Gefüge, also die Mikrostruktur des Stahls, sichtbar.

Aus der Mikrostruktur können sie Rückschlüsse auf die Legierung – also die chemische Zusammensetzung – des Stahls ziehen. Sie entdecken Risse und Einschlüsse oder feine Ausscheidungen, die die Festigkeit steigern. Mit diesem Verfahren können lässt sich die Reinheit und Festigkeit des Stahls bestimmen. Aber auch, wie gut sich der Stahl umformen lässt. Generell gilt: Die Bestandteile des Gefüges bestimmen die Eigenschaften des Stahls.

In Salzgitter und Duisburg sind auch Rasterelektronenmikroskope im Einsatz, die Vergrößerungen von mehr als 100.000:1 erlauben und die Topografie der Probenoberfläche abbilden. So räumen sie mit dem allgemein verbreiteten Bild vom glatten Stahl auf. Zeigen die Aufnahmen doch Berge, Täler und wuchernde Gebilde. Dank ihrer Tiefenschärfe sind solche Bilder gut geeignet, Bruchflächen zu überprüfen. Wollen die SZMF-Fachleute Stähle bis auf die atomare Ebene analysieren, arbeiten sie mit Universitäten und Max-Planck-Instituten zusammen.

Wie Wissen in neue Stähle fließt

KI: neuer Motor bei der Stahlentwicklung

Auch die SZMF setzt längst auf Digitalisierung und künstliche Intelligenz und will eine Reihe von Untersuchungen in Zukunft automatisieren. Bestes Beispiel ist die selbst entwickelte Software „Gefüge-Genie“, die die Mikrostruktur mithilfe maschinellen Lernens analysieren kann.

KI soll die Mitarbeitenden bei Routinetätigkeiten unterstützen. Denn gerade komplizierte Proben bedürfen auch in Zukunft menschlicher Handarbeit und natürlicher Intelligenz.

Was den Stahl zusammenhält

Die Mikrostruktur des Stahls nennt man Gefüge. Es besteht aus vielen einzelnen Bereichen, den sogenannten Körnern. In diesen Körnern lassen sich feine Lücken erkennen, die Fachleute als Poren bezeichnen. Fremdkörper oder Verunreinigungen nennen sie Einschlüsse. Wenn sie von Phasen sprechen, meinen sie Bereiche mit sich ähnelnder Zusammensetzung. Sie sind oft nur wenige Nano- bis Mikrometer groß. Weil das Ätzmittel – zum Beispiel mit Alkohol verdünnte Salpetersäure – die Phasen und Körner des Materials verschieden stark angreift, erscheinen sie unter dem Lichtmikroskop in verschiedenen Farbtönen und Schattierungen.

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