Neuer Schädigungsmechanismus in Metallen entdeckt

Forschende haben einen neuen Schädigungsmechanismus in Metallen entdeckt, bei dem steife Partikelverunreinigungen unter Schubbelastung das Porenvolumen bis auf das Sechsfache vergrößern. Die Erkenntnisse sind besonders für Leichtbaulegierungen im Flugzeugbau relevant und können zu sichereren und ressourcenschonenderen Bauteilen beitragen.

Bild: Simon Bode, KIT

Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie haben gemeinsam mit einem internationalen Team einen bislang unbekannten Schädigungsmechanismus in Metallen nachgewiesen. Unter Schubbelastung können Verunreinigungen in Form steifer Partikel dazu führen, dass sich das Volumen von Poren im Material bis auf das Sechsfache vergrößert. Die Ergebnisse sind im International Journal of Plasticity erschienen und besonders relevant für den Flugzeugbau, wo Leichtbaulegierungen hohen mechanischen Belastungen standhalten müssen.

Warum Bauteilsicherheit von Schubbelastung abhängt

Für die Sicherheit von Bauteilen ist entscheidend, wie Materialien auf mechanische Belastungen wie Zug, Druck, Biegung und Schub reagieren. Bei Schubbelastung verschieben sich Materialbereiche gegeneinander, wodurch innere Scherspannungen entstehen. Bislang ging die Forschung davon aus, dass Schäden unter Schubbelastung kaum wachsen. Damit ließ sich Materialversagen unter solchen Bedingungen bisher nicht erklären. Die neuen Erkenntnisse schließen diese Lücke und zeigen, dass Verunreinigungen durch steife Partikel auch unter Schub erhebliches Schadenswachstum verursachen können. Nachgewiesen wurde der Effekt an einer Aluminiumlegierung, die im Leichtbau für Verkehrsmittel und besonders im Flugzeugbau eingesetzt wird. Die Studie ist damit sowohl für die Formbarkeit von Materialien als auch für Recyclingverfahren relevant, da recycelte Metalle häufig erhöhte Mengen solcher Partikelverunreinigungen enthalten.

Synchrotron-Computerlaminographie liefert dreidimensionale Einblicke

Um das Schadenswachstum sichtbar zu machen, kombinierten die Forschenden Bildgebung mit Simulation. Mithilfe der am KIT entwickelten Synchrotron-Computerlaminographie ließen sich einzelne Bereiche innerhalb zentimetergroßer Proben mit mikrometergenauer Auflösung dreidimensional darstellen. Zusätzlich entwickelte das Team gemeinsam mit Partnern der französischen Hochschule Mines Paris PSL 3D-Simulationen, die die beobachteten Schäden im Modell nachvollziehen. An der untersuchten Aluminiumlegierung AA2198-T851 zeigte sich nach vorheriger Zugbelastung, dass sich Poren an intermetallischen Partikeln unter Schub bis auf das Sechsfache vergrößerten. Die starren Partikel blockieren demnach das umliegende Material und begünstigen so das Wachstum der Hohlräume. Die Erkenntnisse sollen künftig helfen, Bauteile leichter und zugleich langlebiger auszulegen, was besonders im Flugzeugbau zu mehr Sicherheit und Ressourceneffizienz beitragen kann.

Quelle: https://www.kit.edu/kit/pi_2026_060_schaedigung-in-metallen-waechst-unter-schubbelastung.php