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Neue Erkenntnisse! Schubbelastung zerstört Metallteile eben doch!

Quelle: KIT 2 min Lesedauer

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Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat man untersucht, wie zum Beispiel Bauteile für Flugzeuge unter Schubbelastung reagieren. Dabei stieß man auf bisher Unbekanntes ...

In puncto Materialversagen hat ein internationales Forscherteam, an dem auch das KIT beteiligt war, herausgefunden, dass Schubbelastungen durchaus zerstörende Wirkungen entfalten können. Hier eine Mikroskopaufnahme eines Aluminiumteils, das deshalb in die Brüche ging ...(Bild: KIT / M. Hurst)
In puncto Materialversagen hat ein internationales Forscherteam, an dem auch das KIT beteiligt war, herausgefunden, dass Schubbelastungen durchaus zerstörende Wirkungen entfalten können. Hier eine Mikroskopaufnahme eines Aluminiumteils, das deshalb in die Brüche ging ...
(Bild: KIT / M. Hurst)

Bei der Herstellung von Bauteilen gilt es zu verstehen, welchen Belastungen die Werkstoffe ausgesetzt sein werden, beginnen die Experte des KIT ihren Bericht. Mechanische Belastungen wie Zug, Druck, Biegung oder eben Schub beeinflussen bekanntlich das Materialverhalten. Speziell unter Schubbelastung bewegen sich Teile des Materials gegeneinander, wodurch innere Spannungen entstehen, die als Schubspannungen oder auch Scherspannungen bezeichnet werden. Bisher ging man davon aus, dass bereits bestehende Schäden in Materialgefügen unter Schubbelastung nicht wesentlich wachsen. Deshalb konnte ein Materialversagen bei dieser Art der Belastung nicht erklärt werden. Nun haben aber Forscher vom Institut für Photonenforschung und Synchrotronstrahlung (IPS) und vom Laboratorium für Applikationen der Synchrotronstrahlung (LAS) des KIT gemeinsam mit der französischen Hochschule Mines Paris – PSL einen bisher unbekannten Schädigungsmechanismus in Metallen unter Schubbelastung entdeckt. Dabei spielen etwa unerwünschte Störpartikel im Gefüge des Bauteils eine Hauptrolle, heißt es. Untersucht hat man dazu typische Aluminiumteile, wie sie etwa für den Flugzeugbau genutzt werden. Um das Wachstum von Schäden unter Schubbelastung schließlich nachweisen zu können, kombinierten die Forscher Bildgebungsverfahren und Simulations-Tools. Genauer gesagt, nutzten sie die Synchrotron-Computerlaminographie (SR-CL) – eine am KIT entwickelte Methode, die der Computertomographie ähnelt, wie man erklärt.

Am KIT hat man die Synchrotron-Computerlaminographie (SR-CL) entwickelt. Hier ist die Anlage zu sehen, die das Verfahren möglich macht, um ins Innere von Bauteilen zu blicken. Damit konnte nachgewiesen werden, dass Metallbleche unter Schubbelastung doch zerstört werden.(Bild: KIT / S. Bode)
Am KIT hat man die Synchrotron-Computerlaminographie (SR-CL) entwickelt. Hier ist die Anlage zu sehen, die das Verfahren möglich macht, um ins Innere von Bauteilen zu blicken. Damit konnte nachgewiesen werden, dass Metallbleche unter Schubbelastung doch zerstört werden.
(Bild: KIT / S. Bode)

Kommt nach dem Zug der Schub, sieht ein Bauteil schnell alt aus

Diese spezielle Methode ermöglicht demnach die hochauflösende, dreidimensionale Darstellung des Innern von flachen, in der Breite ausgedehnter Objekte (sozusagen von Blechen). Mit SR-CL lassen sich dazu gezielt einzelne Bereiche innerhalb zentimetergroßer Proben mit mikrometergenauer Auflösung untersuchen, wie man betont. Zusätzlich nutzte das Team fortschrittliche 3D-Simulationen, die sie zusammen mit den Kollegen aus Frankreich entwickelt haben, um die beobachteten Schäden auch im Modell nachvollziehen zu können. Man nahm dazu eine Aluminiumlegierung (AA2198-T851) unter die Lupe, indem man das Material zunächst einer Zug- und anschließend einer Schubbelastung aussetzte. Durch die Zugbelastung bildeten sich schon mal Hohlräume im Material, deren weiteres Wachstum das Team unter Schub beobachtete. Dabei zeigt sich, dass das Volumen der an intermetallischen Partikeln entstandenen Poren sich bis auf das Sechsfache vergrößerte. Daraus folgt: Intermetallische Partikel sind ein wesentlicher Treiber des Schädigungswachstums unter Schubbelastung in Metallen, denn die starren Partikel blockieren das Material und fördern das Wachstum der Hohlräume, die nichts anderes als Bauteilschäden sind. Damit hat man das Verständnis in Sachen Mechanismus des Bauteilversagens von Metallen deutlich erweitern können, wie es abschließend heißt.

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