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Materialversagen neu bewertet Forscher entdecken kritischen Schädigungsmechanismus in Metallen

Quelle: KIT 2 min Lesedauer

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Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
OSWALD Elektromotoren GmbH
N & H Technology GmbH
KISSsoft AG

Wie sicher sind Leichtbaubauteile unter Schubbelastung? Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben einen bisher unbekannten Schädigungsprozess identifiziert: Starre Partikelverunreinigungen können dazu führen, dass Hohlräume im Material unter Schubbelastung um das Sechsfache wachsen.

Unter Schubbelastung können Verunreinigungen in Form von steifen Partikeln dazu führen, dass das Volumen von Poren unter Verformung bis auf das Sechsfache steigt. (Bild: KIT)
Unter Schubbelastung können Verunreinigungen in Form von steifen Partikeln dazu führen, dass das Volumen von Poren unter Verformung bis auf das Sechsfache steigt.
(Bild: KIT)

Bei der Auslegung von Bauteilen für Flugzeuge oder Fahrzeuge ist die Kenntnis über das Materialverhalten unter Last essenziell. Während man bisher davon ausging, dass Schäden unter Schubbelastung – im Gegensatz zu Zugbelastung – nicht wesentlich wachsen, widerlegt eine aktuelle internationale Studie des KIT und der französischen Hochschule Mines Paris – PSL diese Annahme.

Die Entdeckung: Partikel als Treiber des Porenwachstums

Das Team um Dr. Mathias Hurst vom Institut für Photonenforschung und Synchrotronstrahlung (IPS) des KIT konnte nachweisen, dass Materialverunreinigungen in Form von steifen Partikeln ein massives Schadenswachstum auslösen. „Intermetallische Partikel sind ein wesentlicher Treiber des Schädigungswachstums unter Schubbelastung“, erklärt Hurst. „Die starren Partikel blockieren das Material und fördern das Wachstum der Hohlräume.“
In Versuchen an der Aluminiumlegierung AA2198-T851, die standardmäßig im Luftfahrt-Leichtbau eingesetzt wird, zeigte sich: Das Volumen der Poren, die an diesen Partikeln entstehen, kann sich unter Schubbelastung bis auf das Sechsfache vergrößern. Damit lässt sich Materialversagen unter Schereinwirkung nun physikalisch präziser erklären.

Tipp: Hören Sie Prof. Dr. Claus Mattheck vom KIT auf dem Konstruktionsleiter-Forum 2026

Auf dem Konstruktionsleiter-Forum 2026 wird Prof. Dr. Mattheck, einer der führenden Experten für Biomechanik, in seinem Vortrag Bionik für Entscheider: Mit den Denkwerkzeugen der Natur zur nächsten Produktgeneration zeigen, wie die Natur die komplexesten statischen Probleme mit verblüffend einfachen Prinzipien löst.
Mattheck entmystifiziert die Bionik und macht sie als handfestes Werkzeug für den modernen Maschinenbau und die Produktentwicklung nutzbar. Freuen Sie sich auf diesen besonderen Freuen Sie sich auf diesen besonderen Impulsvortrag – ein Plädoyer für intelligentes Design, das Materialverschwendung stoppt und die Belastbarkeit maximiert.
Der Vortrag wird die Networking-Veranstaltung im Maschinenhaus im Bürgerbräu am Vorabend des Forums eröffnen.  

Mehr Infos und Anmeldung zum Konstruktionsleiter-Forum 2026.

Neue Herausforderungen für das Metall-Recycling

Die Ergebnisse sind besonders für die Kreislaufwirtschaft von Bedeutung. Recycelte Metalle weisen herkunftsbedingt oft eine höhere Konzentration an Partikel-Verunreinigungen auf. Da diese nun als kritische Treiber für das Porenwachstum identifiziert wurden, müssen Sicherheits- und Formbarkeitsanalysen für Sekundärmetalle unter Umständen neu bewertet werden. Für Konstrukteure bedeutet dies eine genauere Prüfung der Materialreinheit und der Belastungsgrenzen bei Einsatz von Rezyklaten.

High-Tech-Analyse: Laminographie und 3D-Simulation

Um diesen Mechanismus sichtbar zu machen, kombinierten die Wissenschaftler zwei High-End-Verfahren:

  • Synchrotron-Computerlaminographie (SR-CL): Eine am KIT entwickelte Methode, die hochauflösende 3D-Bilder vom Inneren flacher Proben mit Mikrometer-Präzision liefert.
  • 3D-Simulationen: Gemeinsam mit französischen Partnern wurden Modelle entwickelt, die die beobachteten mikroskopischen Schäden mathematisch nachvollziehbar machen.
Die neuen Erkenntnisse ermöglichen es, Komponenten künftig langlebiger und gleichzeitig leichter zu dimensionieren. Durch das bessere Verständnis, wie und warum Hohlräume unter Schub wachsen, können Sicherheitsmargen präziser berechnet werden.

Originalpublikation

Mathias Hurst, Jean-Michel Scherer, Xiang Kong, Maryse Gille, Simon Bode, Djamel Missoum-Benziane, Tilo Baumbach, Lukas Helfen, Thilo F. Morgeneyer: Particle-induced void growth under shear loading revealed by 3D X-ray laminography and finite element modeling. International Journal of Plasticity, 2026. DOI: 10.1016/j.ijplas.2026.104724.

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