Materialprüfung mit neuer Mikroskop-Technik

Um bei Werkstoffen wie Stahl einen Blick ins Innere zu werfen, setzt die Forschung auf verschiedene Techniken der Mikroskopie. Damit lassen sich mikroskopische Verschleißerscheinungen wie etwa Risse früh entdecken. An der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) kommt dazu seit Kurzem ein sogenanntes Zweistrahl-Rasterelektronenmikroskop zum Einsatz. Damit können die Forscher die Oberfläche von verschiedenen Materialien abtragen, um im Anschluss einen Blick ins Innere zu werfen. Zudem können sie dank der Technik 3D-Bilder der winzigen Strukturen erstellen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft und das Land Rheinland-Pfalz haben für die Technik rund 925.000 Euro zur Verfügung gestellt.

Was passiert, wenn Material ermüdet? Wie lassen sich feine Risse in Stahl früh aufspüren? Mit welchen Verfahren können Werkstoffe eine längere Lebensdauer erhalten? Mit Fragen wie diesen beschäftigen sich die Forscher um Professor Dr. Tilmann Beck vom Lehrstuhl für Werkstoffkunde an der TUK. Zum Einsatz kommt dabei auch das neue Zweistrahl-Rasterelektronenmikroskop, das seit Kurzem in den Laboren auf dem Campus in Kaiserslautern steht. „Das Gerät besteht aus zwei Komponenten“, erläutert Professor Beck die Bau- und Funktionsweise. „Es besitzt einen Ionenstrahl, mit dessen Hilfe wir beim zu untersuchenden Material zunächst die Oberfläche abtragen, um an die Schichten darunter zu gelangen.“ Die Ingenieure arbeiten dabei in einem Bereich, der für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Im Anschluss können sie die bearbeitete Stelle mit dem Elektronenmikroskop untersuchen, das ihnen Einblick ins Innere des Materials liefert.

Außerdem erlaubt es die Technik, dreidimensionale Bilder von Mikrostrukturen zu erstellen. „Wir erhalten auch Informationen über die chemische Zusammensetzung des Werkstoffs und über die Kristallstruktur“, fährt Professor Beck fort. Dabei spielt es insbesondere eine Rolle, wie die sogenannte Gitterstruktur des Materials aufgebaut ist und wie diese im Raum orientiert ist. Unter Gitter- oder Kristallstruktur, wie es in der Fachwelt auch heißt, versteht die Forschung die dreidimensionale Anordnung von Teilchen, wie Atomen oder Ionen. Sie ist für jeden Werkstoff charakteristisch.

Die neue Mikroskop-Technik hilft den Ingenieuren, besser zu verstehen, welche Prozesse sich auf der Mikroebene genau abspielen, wenn es zur Materialermüdung kommt. „Wir können untersuchen, was an einer Spitze eines Risses passiert und wie er sich weiterentwickelt“, nennt Beck als Beispiel.

So ist es unter anderem möglich, Werkstoffe künftig derart zu gestalten, dass sich die Lebensdauer erhöht, aber auch Techniken zu entwickeln, mit denen sich Verschleißspuren im mikroskopischen Bereich bei unterschiedlichen Werkstoffen früh erkennen lassen. Das Team von Professor Beck arbeitet hierzu im Sonderforschungsbereich (SFB) 926 „Bauteiloberflächen: Morphologie auf der Mikroskala“ gemeinsam mit anderen Arbeitsgruppen aus dem Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik sowie aus der Physik. Im SFB geht es um Mikrostrukturen auf Oberflächen von Bauteilen und um neuartige Techniken, um diese Strukturen zu erzeugen, zu analysieren und anzuwenden.