KIT: Schädigung in Metallen wächst unter Schubbelastung
Wie gut Materialien mechanischen Belastungen standhalten, ist entscheidend für die Sicherheit von Bauteilen – beispielsweise bei Flugzeugen. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun in einem internationalen Team einen bisher unbekannten Schädigungsmechanismus in Metallen entdeckt: Unter Schubbelastung können Verunreinigungen in Form von steifen Partikeln dazu führen, dass das Volumen von Poren unter Verformung bis auf das Sechsfache steigt. Die Ergebnisse sind besonders relevant für die Formbarkeit und Sicherheit von Materialien im Hinblick auf Recyclingverfahren. Veröffentlichung im International Journal of Plasticity.
Bei der Herstellung von Bauteilen gilt es zu verstehen, welchen Belastungen die Werkstoffe ausgesetzt sein werden. Mechanische Belastungen wie Zug, Druck, Biegung oder Schub beeinflussen das Materialverhalten. Bei Schubbelastung verschieben sich Teile des Materials gegeneinander, wodurch innere Spannungen entstehen, die als Schubspannungen oder Scherspannungen bezeichnet werden.
Bisher ging die Forschung davon aus, dass Schäden in Materialien unter Schubbelastung nicht wesentlich wachsen, damit konnte Materialversagen unter solchen Belastungen nicht erklärt werden. Nun haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Institut für Photonenforschung und Synchrotronstrahlung (IPS) und vom Laboratorium für Applikationen der Synchrotronstrahlung (LAS) des KIT gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der französischen Hochschule Mines Paris – PSL einen bisher unbekannten Schädigungsmechanismus in Metallen unter Schubbelastung entdeckt.
„Materialverunreinigungen in Form von steifen Partikeln können auch unter Schubbelastung zu erheblichem Schadenswachstum führen“, sagt Dr. Mathias Hurst vom IPS des KIT. Die Forschenden wiesen diesen Schädigungsmechanismus exemplarisch in einer Aluminiumlegierung nach, die sich vor allem für den Leichtbau für Verkehrsmittel – besonders im Flugzeugbau – eignet.
Demnach ist die Studie einerseits von hoher Relevanz für die Materialformbarkeit, unter anderem in der Mobilitäts- und Transportbranche. Andererseits ist sie von großer Bedeutung für Recyclingverfahren, da recycelte Metalle häufig erhöhte Mengen von Partikel-Verunreinigungen enthalten.
Um das Schädigungswachstums unter Schubbelastung nachzuweisen, kombinierten die Forschenden Bildgebung und Simulation: Sie nutzten Synchrotron-Computerlaminographie (SR-CL), eine am KIT entwickelte Methode, die der Computertomographie ähnelt. Die Methode ermöglicht die hochauflösende dreidimensionale Darstellung des Innern flacher, in der Breite ausgedehnter Objekte.
Mit SR-CL lassen sich gezielt einzelne Bereiche innerhalb zentimetergroßer Proben mit mikrometergenauer Auflösung untersuchen. Zusätzlich nutzte das Team fortschrittliche 3D-Simulationen, die sie zusammen mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Frankreich entwickelt haben, um die beobachteten Schäden auch im Modell nachzuvollziehen.
Die Forschenden untersuchten eine Aluminiumlegierung (AA2198-T851), indem sie das Material zunächst einer Zug- und anschließend einer Schubbelastung aussetzten. Durch die Zugbelastung bildeten sich Hohlräume im Material, deren weiteres Wachstum das Team unter Schub beobachtete. Dabei zeigt sich: Das Volumen der an intermetallischen Partikeln entstandenen Poren vergrößerte sich bis auf das Sechsfache. „Intermetallische Partikel sind also ein wesentlicher Treiber des Schädigungswachstums unter Schubbelastung in Metallen“, sagt Hurst. „Die starren Partikel blockieren das Material und fördern das Wachstum der Hohlräume.“
Die Ergebnisse der Studie liefern neue Einblicke in Schädigungsmechanismen unter Schubbelastung und tragen dazu bei, Bauteilversagen unter anwendungsrelevanten Belastungen besser zu verstehen. Dadurch könnten Komponenten künftig langlebiger und zugleich leichter ausgelegt werden – ein wichtiger Beitrag für Sicherheit und Nachhaltigkeit, insbesondere im Transportsektor.
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