Die Dissertation befasst sich mit der Ausbreitung mikrostrukturell kurzer Risse in der Größenordnung der Korngröße unter Belastungen im Bereich des Low Cycle Fatigue (LCF). Eine einheitliche Theorie zum Einfluss der Mikrostruktur auf die Rissausbreitung existiert bislang nicht; es fehlen quantitative Daten und systematische Experimente.

Ein wesentliches Ergebnis des Projektes ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Initiierung künstlicher Mikrorisse per Focused Ion Beam (FIB) als Grundlage für die systematische Untersuchung lokaler Mikrostruktur-Einflüsse. Hier können Mikrokerben mit reproduzierbaren Rissparametern z.B. in definiertem Abstand zu ausgewählten Korngrenzen in die Werkstoffoberfläche eingebracht werden und das sogar unter Berücksichtigung der lokalen Kristallorientierung direkt auf den Gleitebenen mit der größten Schubspannung. Ermüdungsrisse breiten sich dann an den Mikrokerben im Stadium I der Rissausbreitung aus, wie es auch die Modelle von Tanaka und Navarro und De los Rios beschreiben.

Mit diesem Verfahren wurde die Wechselwirkung von Rissen mit Korngrenzen für technische Legierungen (CMSX-4, Baustahl) gemessen und quantitative Daten ermittelt und ausgewertet. Die Ergebnisse beschreiben den Einfluss verschiedener Korngrenzen (definiert über Orientierung und Inklination) auf die Rissausbreitung sowohl hinsichtlich der Einschränkung der plastischen Zone der Risse als auch im Bezug auf die Dreidimensionalität der Rissausbreitung vor allem beim Durchstoßen der Korngrenze. Diese Einflüsse stellen sich für die untersuchten Werkstoffe deutlich unterschiedlich dar:

In der Nickelbasislegierung CMSX-4 konnte zunächst festgestellt werden, dass das Ausbreitungsverhalten von künstlichen Rissen ohne mikrostrukturelle Barrieren sehr gut reproduzierbar und identisch mit dem Verhalten natürlicher Risse ist. Somit können Mikrostruktureinflüsse lokal getestet werden. In extra polykristallin hergestellten Proben zeigt sich dabei eine Verminderung der Rissfortschrittsrate vor Korngrenzen in einem Abstand, bei dem gleichzeitig der Aufstau der plastischen Zone an den Korngrenzen beobachtet wurde.

Durch eine Modifizierung des Modells von Tanaka hinsichtlich der am Rissfortschritt beteiligten Gleitsysteme konnte die Rissausbreitungsrate mit und ohne Korngrenzen mit lediglich geringfügiger Abweichung zu den Messungen berechnet werden. Offensichtlich sind die physikalischen Annahmen dieses einfachen, zweidimensionalen Modells hinreichend zur Beschreibung des Kurzrisswachstums in dieser Legierung.

Bei einigen Rissen war der Einfluss der Korngrenze besonders stark. Hier konnte mit Hilfe der FIB-Tomographie die Lage der Korngrenze als zusätzlicher Parameter identifiziert werden, die in solchen Fällen eine Betätigung mehrerer Gleitsysteme bedingt und eine zickzack-förmige Rissausbreitung entlang mehrerer Gleitebenen erzwingt. Eine mikrostrukturelle Beschreibung des Rissfortschritts muss in diesem Fall also dreidimensionale Aspekte berücksichtigen.

Die dreidimensionale Natur des Problems ist in ferritischem Stahl noch deutlicher ausgeprägt. Die Rissausbreitung erfolgt in diesem Fall gemäß "pencil-glide", die Richtung wird bestimmt durch die Richtung des Burgers Vektors und der Lastrichtung. Unabhängig von der Höhe der angelegten Last kann Rissausbreitung über Korngrenze hinweg nur bei kleinen Missorientierungswinkeln (<20°) beobachtet werden. Die Ausbildung makroskopischer Ermüdungsrisse erfordert daher im Allgemeinen das Zusammenwachsen benachbarter kurzer Risse. Eine Theorie zur Beschreibung der Werkstoffermüdung muss in diesem Fall auf der Wechselwirkung kurzer Risse untereinander erfolgen und gegebenenfalls elastische und plastische Anisotropie berücksichtigen.