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Forschung Defect Engineering erhöht Festigkeit von Metallen doch noch weiter

Quelle: Universität Kassel 1 min Lesedauer

Seit fast 100 Jahren ist bekannt, dass mikroskopische Defekte im Kristallgitter eine zentrale Rolle für die Festigkeit von Metallen spielen. Lange galten Methoden, diese Defekte zu manipulieren und die „Versetzungsfestigkeit“ zu erhöhen, als weitgehend ausgereizt. Forschende zeigen nun, dass noch Luft nach oben ist.

Das Bild zeigt eine atomistische Simulation einer Versetzung, also eines Liniendefekts innerhalb eines regelmäßigen Kristalls, inklusive Spannungsfeld. (Bild: Uni Kassel)
Das Bild zeigt eine atomistische Simulation einer Versetzung, also eines Liniendefekts innerhalb eines regelmäßigen Kristalls, inklusive Spannungsfeld.
(Bild: Uni Kassel)

Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung der Universität Kassel zeigt, dass hier ein unerwartetes Potenzial erschlossen werden kann. Mit einem neuartigen Ansatz aus dem Defect Engineering konnte die sogenannte klassische Versetzungsverfestigung um bis zu 40 Prozent gesteigert werden.

Warum 40 Prozent ein Meilenstein sind

In der Materialwissenschaft gelten Verbesserungen im Bereich weniger Prozentpunkte oft schon als bedeutend. Eine zusätzliche Verfestigung von 40 Prozent auf Basis eines jahrzehntealten Konzepts gilt als außergewöhnlich - zumal viele Experten davon ausgegangen waren, dass die Grenzen der klassischen Versetzungsverfestigung bereits erreicht seien.
Gerade deshalb eröffnet die gezielte Nutzung von chemisch modifizierten Versetzungen neue Perspektiven für die Entwicklung leichterer, aber deutlich robusterer Bauteile für die Elektromobilität und die Luft- und Raumfahrt.
 

Strukturen im Nanometerbereich behindern Versetzungen

Der Schlüssel liegt in sogenannten linearen Komplexionen. Dabei reichern sich bestimmte Atome gezielt entlang der Versetzungslinien an. Diese chemischen Anreicherungen führen zur Bildung extrem kleiner, geordneter Strukturen im Nanometerbereich, die die Bewegung von Versetzungen deutlich wirksamer behindern als herkömmliche Mechanismen und die Materialien damit robuster machen.

Über die Forschungsarbeit

Die Arbeiten entstanden in Kooperation mit der University of California, Santa Barbara (UCSB) unter Leitung von Prof. Dan S. Gianola, einem international führenden Wissenschaftler im Bereich moderner Strukturwerkstoffe. Die Kasseler Gruppe von Prof. Benoit Merle (Institut für Werkstofftechnik, Fachgebiet Mechanisches Verhalten von Werkstoffen) brachte dabei ihre Expertise in Nanomechanik und Nanoindentierung ein. 
Das Teilprojekt aus Kassel wurde durch den European Research Council (ERC) im Rahmen des EU-Forschungsprogramms Horizon 2020 gefördert (Grant Agreement Nr. 949626).
Die Ergebnisse wurden in der renommierten internationalen Fachzeitschrift Acta Materialia veröffentlicht: Howard et al.: „Chemically ordered dislocation defect phases as a new strengthening pathway in Ni-Al alloys“ (2025), https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120887

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