Kurzbeschreibung des Projekts

Projektnummer		Einzelprojekte  P20709
Titel		Massive Umwandlung - Experimente und Simulationen
ProjektleiterIn		FISCHER Franz Dieter
Bewilligungsdatum		05.05.2008
Universität / Forschungsstätte		Institut für Mechanik, Montanuniversität Leoben
Gebiet(e)
Keywords		diffusion, dilatometer tests, thermodynamics, ab-initio methods, transmission electron microscopy, transformation kinetics
Homepage		http://www.unileoben.ac.at/~metr1/welcome.html

Obwohl in der Vergangenheit zahlreiche einschlägige Untersuchungen durchgeführt wurden, gibt es zum Themenkreis "Massive Umwandlungen" immer noch offene Fragen, insbesondere solche die die massive α → γ_m Umwandlung in Titanaluminiden betreffen. Der dem Wachstum der neuen Phase bei einer massiven Umwandlung zugrunde liegende Mechanismus soll aufgeklärt werden. Weiters ist noch unklar, ob eine Anreicherung in Form einer Molenbruch- bzw. Konzentrationsspitze vor der Umwandlungsfront ("Spike") eine massive Umwandlung charakterisiert. Außerdem fehlt es an detailliertem Wissen, um die makroskopisch beobachtbare Umwandlungskinetik beschreiben zu können.
Diffusionsprozesse in massiven Umwandlungen treten nur in der Phasengrenzfläche ("Interface") und /oder in ihrer unmittelbaren Umgebung, also bei Metallen im Nano- und Subnanometerbereich, auf. Diffusion in massiven Umwandlungsprozessen kann zu Phänomenen führen wie Transinterface-Diffusion, Anreicherung einer oder mehrerer Komponenten in der bewegten Grenzfläche oder Diffusion in einem Spike im Bulk-Material vor der Umwandlungsfront. Hochentwickelte experimentelle Techniken (z.B. Energiedispersive Röntgenstrahlenspektroskopie (EDS) und Elektronenenergie-Verlustspektroskopie (EELS) im Transmissionselektronenmikroskop (TEM)) werden benötigt, um die Zusammensetzung in der Grenzfläche und im grenzflächennahen Bereich zu untersuchen.
Obwohl sich die Grenzflächengeschwindigkeit direkt aus TEM-Studien abschätzen läßt, sind doch diese Experimente auf einen sehr kleinen Beobachtungsraum beschränkt. Dilatometerversuche sollen daher ausgeführt werden, um den Volumenanteil der neuen Phase als Funktion von Umwandlungszeit und Temperatur zu bestimmen. Wenn die Topologie der Phasenanordnung während der Umwandlung abgeschätzt werden kann, und die Triebkraft für die Umwandlung bekannt ist, kann die Geschwindigkeit des Fortschreitens der Phasengrenzfläche berechnet werden.
Es ist noch nicht Stand der Technik, und sicherlich eine herausfordernde Aufgabe, die oben erwähnten Diffusionsprozesse und die gleichzeitig auftretende Bewegung einer inkohärenten Phasengrenzfläche im Rahmen eines mikromechanischen Modells zu beschreiben. Die Triebkraft für die massive Umwandlung muss aus den temperatur- und zusammensetzungsabhängigen Gibbsenergien der Phasen gewonnen werden. Die Berechnung dieser Gibbsenergien kann eine nicht-triviale Aufgabe sein, und ein atomistischer Ansatz soll helfen, den Wissensstand zu erhöhen. Mit Hilfe des mikromechanischen Modells können schließlich die zeitabhängigen Molenbruchprofile und die Geschwindigkeit der Phasengrenzfläche berechnet werden.
Das Studium der massiven Umwandlung umfasst mehrere Größenskalen (z. B. Atomabstände und den makroskopisch feststellbaren Fortschrittsdistanzen der Grenzflächen) sowie Zeitskalen (z. B. die schnelle Bewegung der Grenzfläche und die langsame Diffusion substitutionell gelöster Komponenten). Nur die Verknüpfung theoretischer Modelle auf der atomistischen Ebene mit verschiedenen Experimenten kann einen tieferen Einblick in die zugrunde liegende Physik ermöglichen. Die Eigenschaften einiger technisch bedeutender Materialien (z. B. niedrig-legierte Stähle, Titanaluminide) werden durch massive Umwandlungen bestimmt und die Untersuchungen sind daher sowohl von wissenschaftlichem als auch von technischem Interesse.