Höhere Festigkeit für Metalle mit dem Defect Engineering

Metalle sind unverzichtbar für nahezu alle Schlüsseltechnologien unserer Gesellschaft: von Infrastruktur und Energietechnik über Maschinenbau bis hin zu Mobilität und Medizintechnik. 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.

Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung der Universität Kassel zeigt nun, 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 % gesteigert werden.

Warum 40 % ein Meilenstein sind

In der Materialwissenschaft gelten Verbesserungen im Bereich weniger Prozentpunkte oft schon als bedeutend. Eine zusätzliche Verfestigung von 40 % auf Basis eines jahrzehntealten Konzepts gilt als außergewöhnlich - zumal viele Expertinnen und 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.

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.

Die Arbeiten entstanden in enger 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 besondere 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/10.101...025.120887

Kontakt:

Universität Kassel, Prof. Dr.-Ing. Benoit Merle; E-Mail: benoit.merle@uni-kassel.de

www.uni-kassel.de