Die Entwicklung neuer Materialien für zukunftsweisende Technologien ist ein zentrales Thema in der modernen Forschung. Ein internationales Forschungsteam, in dem auch die Universität Kassel vertreten ist, hat nun beeindruckende Fortschritte im Bereich des Defect Engineering erzielt. Diese Technik könnte die Festigkeit von Metallen erheblich steigern, was für Anwendungen in der Elektromobilität und Luft- und Raumfahrt von großer Bedeutung ist.

Das Team hat gezeigt, dass die klassisch verwendete Methode der Versetzungsverfestigung um bis zu 40 Prozent effektiver ist als bisher angenommen. Eine solch signifikante Verbesserung ist außergewöhnlich, zumal in der Materialwissenschaft bereits viele Experten dachten, dass die Grenzen dieser Verstärkungstechnik erreicht seien. Das neue Wissen basiert auf der Nutzung chemisch modifizierter Versetzungen, welche ganz neue Perspektiven für die Entwicklung leichter und robuster Bauteile eröffnen.

Die Schlüsselergebnisse dieser Forschung, die unter der Leitung von Prof. Dan S. Gianola an der University of California, Santa Barbara (UCSB) und Prof. Benoit Merle an der Universität Kassel durchgeführt wurde, zeigen, dass Atome entlang der Versetzungslinien angereichert werden, um extrem kleine, geordnete Strukturen im Nanometerbereich zu bilden. Diese Strukturen behindern die Bewegung von Versetzungen deutlich effektiver als herkömmliche Methoden. Dies könnte entscheidend sein, um die Leistung und Lebensdauer von Metalllegierungen deutlich zu erhöhen.

Verbesserte Verfestigungsmechanismen

Die Forschung stellt einen wichtigen Fortschritt innerhalb der etablierten Verfestigungsmechanismen dar. Diese Mechanismen sind fundamental für die Steigerung der Festigkeit metallischer Werkstoffe, die eng mit der Bewegung von Versetzungen korrelieren. Eines der Ziele bei der Verbesserung metallischer Materialien ist es, die Bewegung dieser Versetzungen zu erschweren oder ganz zu verhindern. Typische Verfestigungsmechanismen umfassen:

  • Umformverfestigung: Durch Kaltverformung werden Netzwerke von „verhakten“ Versetzungen gebildet, die die Sprödigkeit und Härte erhöhen.
  • Korngrenzenhärtung: Versetzungen werden an den Grenzen zwischen unterschiedlich orientierten Kristallkörnern behindert, was durch Kornfeinung oder Wärmebehandlung erreicht wird.
  • Mischkristallverfestigung: Hierbei behindern Fremdatome die Bewegung von Versetzungen, speziell wenn die Atomgrößen unterschiedlich sind.
  • Dispersions- und Ausscheidungshärtung: In diesen Verfahren behindern größere Partikel oder ausgeschiedene Partikel das Gleiten von Versetzungen.

Jeder dieser Mechanismen hat, wie die Fachliteratur zeigt, physikalische und technische Grenzen. Beispielsweise hat die Mischkristallhärtung eine Löslichkeitsgrenze, während die Versetzungshärtung eine maximale Versetzungsdichte aufweist.

Ein Blick in die Zukunft

Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit wurden in der Fachzeitschrift Acta Materialia veröffentlicht, mit dem Titel „Chemically ordered dislocation defect phases as a new strengthening pathway in Ni-Al alloys“ (2025). Durch die enge Zusammenarbeit zwischen den Wissenschaftlern von der Universität Kassel und der UCSB wird die Entwicklung von neuen, stärkeren Materialien für verschiedene High-Tech-Anwendungen vorangetrieben. Die Erfahrungen und Expertisen der Kasseler Gruppe im Bereich Nanomechanik und Nanoindentierung sind entscheidend für diese aufstrebenden Technologien.

Mit einer Förderung des European Research Council (ERC) im Rahmen von Horizon 2020 (Grant Agreement Nr. 949626) ausgestattet, zeigt dieses Projekt das enorme Potenzial von innovativen Ansätzen in der Materialwissenschaft. Abschließend lässt sich sagen: Die Erschließung neuer Wege in der Metallverfestigung könnte nicht nur die Materialwissenschaft revolutionieren, sondern auch unserer technologischen Entwicklung eine neue Richtung geben.

Für weitere Informationen können Sie Prof. Dr.-Ing. Benoit Merle von der Universität Kassel direkt kontaktieren: Telefon: +49 561 804-3656, E-Mail: benoit.merle[at]uni-kassel[dot]de.

Für detaillierte Informationen über die Grundlagen der Werkstoffverfestigung kann zudem das Giessereilexikon eingesehen werden. Weitere Angaben zu den wissenschaftlichen Arbeiten finden Sie in dem Bericht der Universität Kassel.