Ob Smartphone, Haushaltsgerät oder Industriemaschine: Kommen Dinge in die Jahre, ermüdet bekanntermaßen ihr Material. Risse sind dann sogar mit bloßem Auge zu erkennen. „Ermüdungsrisse begrenzen die Lebensdauer von Bauteilen stark“, sagt die Materialforscherin Jutta Luksch. Schon lange bevor es sichtbar wird, entstehen Mikroschäden. Tief im Inneren der Werkstoffe geschieht weit mehr, als an der Oberfläche zu erahnen ist. „In den uns geläufigen Größenordnungen ist bereits gut erforscht, wie solche Ermüdungsrisse wachsen. Hier gibt es etablierte Methoden, um die entsprechenden Kennwerte in den Bauteilen zu überprüfen“, sagt Jutta Luksch.

Ganz anders aber sieht es aus, je kleiner Bauteile werden. „Die Prüfmethodik im mikroskopischen Bereich ist noch lange nicht so weit entwickelt. Mit der zunehmenden Miniaturisierung von Bauteilen brauchen wir dringend Prüfmethoden für die Mikrometerebene, um zu verstehen, wie sich in diesem Maßstab Materialien unter Belastung verhalten“, erklärt die Materialwissenschaftlerin. Die bekannten Kennwerte aus großen Größenordnungen einfach zu übertragen, funktioniert nicht immer. Im Kleinen gelten teils andere Gesetze. Was also passiert bei Rissen in der Mikrowelt, in Bereichen kleiner als eine Haaresbreite? Dieser Frage ging Jutta Luksch in Ihrer Doktorarbeit bei Professor Christian Motz auf den Grund. Sie untersuchte, wie sich Risse in miniaturisierten Bauteilen ausbreiten und welche physikalischen Phänomene dabei eine Rolle spielen. Und sie erforschte, inwieweit die klassischen Prüfmethoden des Ermüdungsrisswachstums auf die Mikrowelt übertragbar sind.

Dabei arbeitete die Forscherin mit Mikroproben, Bälkchen aus nanokristallinem Nickel von nur etwa 20 Mikrometern – deutlich dünner als ein menschliches Haar. Sie verbog die Mini-Bälkchen, schaute mit dem Rasterelektronenmikroskop den Rissen live beim Wachsen zu und entwickelte eine Methodik, um zu prüfen, wie sich Ermüdungsrisse dabei auf der Mikro- und Mesoskala verhalten. „Der Größeneffekt ‚kleiner ist stärker‘ gilt hier eingeschränkt. Kleinere Proben reagieren deutlich empfindlicher auf Belastungsänderungen. Zudem streuten die Ergebnisse stärker: Das Verhalten der Risse wurde mit abnehmender Größe weniger vorhersehbar“, erläutert Jutta Luksch.

Außerdem nahm sie unter anderem Schichtsysteme aus feinkristallinem und grobkristallinem Nickel unter die „Lupe“, die unterschiedliche Härte aufweisen. Sie wandte hier die von ihr entwickelten Prüfmethoden an, beobachtete, welchen Einfluss die Schichten auf senkrecht zulaufende Risse hatten: ob sie diese stoppen oder zur Schwachstelle machen. „Diese Ergebnisse sind etwa für Mikro-Schweißnähte relevant“, sagt die Forscherin, die an der Universität des Saarlandes jetzt eine Nachwuchsgruppe für nachhaltige Materialien im Transformationsprojekt CircularSaar leitet, bei dem sich alles um Kreislaufwirtschaft dreht.

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