Atomic-scale characterization of severely deformed nanocrystalline alloys

Publikationen: Thesis / StudienabschlussarbeitDissertationForschung

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Abstract

Komposite aus im thermodynamischen Gleichgewicht üblicherweise unlöslichen Elementen können durch Verformung in metastabile übersättigte Zustände gezwungen werden. Dieses Phänomen hat in den letzten Jahrzehnten enorme Aufmerksamkeit erregt. Verfahren der Hochverformung haben einzigartige Vorteile, zum Beispiel die Auflösung von Zweitphasen und eine erhebliche Kornfeinung bis in den Nanometer-Bereich. Die auf diese Weise hergestellten Nanostrukturen weisen charakteristische Merkmale auf, wie zum Beispiel Verformungszwillinge, Ungleichgewichtskorngrenzen, Versetzungsstrukturen, Leerstellenagglomerate, Segregation gelöster Elemente und Cluster. Spezielles Design und Kontrolle dieser Merkmale ermöglichen die Herstellung vieler nanokristalliner Materialien mit außergewöhnlichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften im Vergleich zu ihren grobkörnigen Pendants. Trotz intensiver Studien an nanokristallinen Materialien sind die zugrundeliegenden Phänomene auf atomarer Ebene nur unzureichend verstanden. Beispielsweise werden auftretende Verformungsprozesse, Mechanismen der Zwangsübersättigung, der Einfluss leichter Elemente sowie die thermische Stabilität in der Literatur kaum behandelt. In der vorliegenden Arbeit wurden diese Phänomene anhand zweier Modelsysteme, Cu-Cr und Cu-Fe, untersucht. Im ersten Teil wurde ein zwei-phasiger Cu-Cr Komposit, mit unterschiedlicher Härte und Duktilität der ursprünglichen Phasen, mit Hochdrucktorsionsverformung kontrolliert verformt. Prozesse in der Anfangsphase der Scherverformung wurden auf atomarer Ebene untersucht um neue Erkenntnisse bezüglich Kornfeinung und Vermischung zu erlangen. Dabei zeigt sich, dass die härtere Cr-Phase eine längliche Struktur formt, bis sich ein sehr feines lamellares Gefüge, mit 1 – 2 nm dicken Cu-Lagen an den Korngrenzen, einstellt. Anschließend beginnen sich die Cr-Lamellen einzuschnüren bis sie letztendlich brechen. In Folge dieses Verfeinerungsprozesses stellt sich nach einer aufgebrachten Dehnung von 1360 ein globulares Sättigungsgefüge mit einer mittleren Korngröße von 13.7 nm und einer Härte von 480 – 495 HV ein. Die Cu-Phase lag überraschenderweise als Cluster (~2 nm) in den Cr-Körner vor und wies eine kubisch raumzentrierte Struktur auf. Die Änderung des Phasenanteils aufgrund der sukzessiven Lösung von Cu Atomen in der Cr-Matrix wurde während der Verformung gemessen und präzise berechnet. Der zweite Teil beschäftigt sich mit hochverformten Cu-Fe Legierungen, die entweder direkt durch mechanisches Legieren von Pulvern oder schmelzmetallurgisch im Vakuumlichtbogenofen hergestellt wurden. Die Legierungen enthalten unterschiedliche Sauerstoffanteile, bilden jedoch alle kubisch flächenzentrierte übersättigte Mischkristalle im Sättigungsbereich der Verformung. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass Sauerstoff Kornfeinung und Gitterausdehnung begünstigt, das führt wiederum zu höherer Härte und geringer Duktilität. Theoretische Berechnungen deuten darauf hin, dass die höhere Dichte an Zwillingen in Pulverproben auf eine verringerte Stapelfehlerenergie zurückzuführen ist. Das Verhalten des Sauerstoffs wurde eingehend in in-situ Heizversuchen untersucht. Entgegen der Erwartungen wurden zuerst Oxide gebildet, bevor eine Entmischung des metastabilen Cu-Fe Mischkristalls auftrat. Die Oxidbildung begann bereits bei relativ niedrigen Temperaturen und bildete dabei nm-große CuO Cluster gefolgt von Fe2O3. Diese Arbeit konnte den Zusammenhang zwischen verformungsinduzierten Phänomenen und Mechanismen auf atomarer Ebene zeigen, indem modernste transmissionselektronmikroskopische Untersuchungsmethoden eingesetzt wurden. Damit konnten völlig neue Erkenntnisse über das Verhalten von Sauerstoff in hochverformten nanokristallinen Legierungen gewonnen werden. Dieses Wissen ermöglicht die direkte Beobachtung von Oxidbildung und bietet neue Wege für das Design nanokristalliner dispersionsverstärkter Materialien.

Details

Titel in ÜbersetzungCharakterisierung hochverformter nanokristalliner Legierungen auf atomarer Ebene
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2018