Kontakt zwischen technischen Materialien entsteht in der Praxis selten über perfekt glatte Flächen, sondern entlang mikroskopischer Rauheitsspitzen. An diesen winzigen Kontaktpunkten treten extreme Verformungsgradienten und lokale Spannungsspitzen auf, die die mechanische Integrität gefährden und zum Versagen führen können. Ein Team der Montanuniversität Leoben hat nun erstmals die Spannungskonzentrationen auf beiden Seiten einer einzelnen Rauheitsspitze unter realistischen Kontaktbedingungen experimentell quantifiziert und damit grundlegende Annahmen der Kontaktmechanik validiert.
Kooperation mit Großforschungseinrichtung in Grenoble
Unter der Leitung von Dr. Michael Meindlhumer vom Department Werkstoffwissenschaft und Lehrstuhl für Materialphysik gelang der Nachweis, wie Grenzflächen in einem multilagigen Materialaufbau die Ausbildung von Spannungsspitzen steuern und die lokale Verformung beeinflussen. Um die komplexen Materialreaktionen unter multiaxialen Spannungskonzentrationen zu erfassen, führte das Team zwei hochspezialisierte in-situ-Verformungsexperimente an der ID13 Nanofocus Beamline der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble durch. Dank der dort verfügbaren nanometergenauen Röntgenfokussierung konnten die Forscherinnen und Forscher die Verteilung der Spannungen direkt an der Kontaktstelle sichtbar machen – und zwar auf der Nanometerebene, beidseitig der Rauheitsspitze.
Materialversagen verhindern
Die Ergebnisse zeigen, dass ein Mehrschichtverbund mit nanoskaligen duktilen Zwischenlagen in der Lage ist, bis zu einem Drittel der im Material gespeicherten Energie durch plastische Verformung abzubauen. Dieser kontrollierte Energieabbau entschärft die lokalen Spannungsspitzen und verhindert so katastrophales Materialversagen. Besonders bemerkenswert ist, dass komplementäre mikromechanische Laborversuche zuvor keine Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften der untersuchten Materialien erkennen ließen. Erst die nanometergenaue in-situ-Analyse unter realitätsnaher Kontaktbelastung offenbarte die entscheidende Rolle der Grenzflächenarchitektur.
„Wir haben festgestellt, wie sich Materialien auf der Nanoebene unter realistischen Belastungsszenarien verhalten, und wodurch Materialversagen verhindert oder eingeschränkt werden kann“, erklärt Dr. Michael Meindlhumer. „Damit liefern wir eine experimentelle Basis für Designregeln, die die Kontaktmechanik in anspruchsvollen Anwendungen grundlegend verbessern können.“
Die Implikationen reichen von Wälzlagern und elektrischen Kontakten über Sensorik bis hin zu biomechanischen Systemen. Unmittelbare Bedeutung haben die Ergebnisse für elektrische Kontakte in der Mikroelektronik, bei denen kleinste Rauheitsspitzen über Zuverlässigkeit und Lebensdauer entscheiden, sowie für Verschleißschutzschichten, die in tribologischen Kontakten komplexen Belastungen ausgesetzt sind. Durch gezieltes Engineering nanoskaliger, duktiler Zwischenschichten lassen sich Bauteile künftig robuster auslegen, ohne Funktionalität oder Effizienz zu beeinträchtigen.
Die Studie ist über folgenden Permanentlink abrufbar: https://doi.org/10.1038/s43246-026-01239-1
Weitere Informationen
Dr. Michael Meindlhumer
Department Werkstoffwissenschaft
Lehrstuhl für Materialphysik
Mail: michael.meindlhumer(at)unileoben.ac.at
Tel.: 03842 804 301
