Untersuchung der Nukleation von MX- und mod. Z-Phasen

Moderne 9-12% Cr Stähle werden bevorzugt als Werkstoffe in optimierten kalorischen Kraftwerken mit niedrigem CO 2 Ausstoß eingesetzt. Diese Materialien verlieren nach langen Einsatzzeiten ihre Festigkeit. Hauptverantwortlich dafür ist eine Veränderung der Mikrostruktur, vor allem die Wechselwirkung zwischen zwei Ausscheidungsgruppen, der MX- Phasen und der modifizierten Z-Phase. Diese Wechselwirkung ist nicht nur für die Eigenschaften dieser Stahlsorten essentiell, sondern steht auch stellvertretend für ähnliche Vorgänge in sehr vielen anderen Legierungen. Aus diesem Grund wird in diesem Projekt das Legierungssystem Fe-Cr-V-N untersucht, in dem die Interaktionen "in Reinform", d.h. ohne zusätzliche Phasen und Nebeneffekte beobachtet werden können. MX- und mod. Z-Phase stehen in ihren Eigenschaften stellvertretend für zwei unterschiedliche Teilchensorten in Legierungen. Während MX-Ausscheidungen sehr leicht in der Matrix und an Versetzungen nukleieren, scheint dies bei der mod. Z-Phase nicht der Fall zu sein: trotz wesentlich höherer Treibkraft wurde die Nukleation in der Matrix bisher noch nicht beobachtet, obwohl diese Teilchen die eigentliche Gleichgewichtsphase darstellen. Grund hierfür ist vermutlich die strenge Ordnung innerhalb der mod. Z-Phase - die genaue Anordnung von V- und Cr-Atomen im Kristallgitter macht eine Nukleation extrem unwahrscheinlich. Stattdessen entsteht mod. Z-Phase wahrscheinlich durch eine direkte Phasenumwandlung aus MX-Partikeln durch langsames eindiffundieren von Cr. Diese Art von "Nukleation" kann durch die klassische Keimbildungstheorie noch nicht beschrieben werden. Da die Bildung der mod. Z-Phase mehrere Jahre in Anspruch nimmt, ist der damit verbundene Festigkeitsabfall ebenfalls erst nach sehr langer Zeit beobachtbar und kann trotz idealem Ausgangsmaterial nicht ausgeschlossen werden. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die klassische Keimbildungstheorie so zu erweitern, dass die Bildung von MX- und mod. Z-Phasen möglichst vollständig in deren Rahmen beschrieben werden kann. Um dies zu erreichen, sind sowohl theoretische Betrachtungen als auch experimentelle Arbeiten notwendig. Für die experimentellen Untersuchungen stehen an der Technischen Universität von Dänemark neue höchstauflösende Transmissionselektronenmikroskope zur Verfügung, mit deren Hilfe kleine Nuklei und Ausscheidungen in den ersten Phasen des Wachstums beobachtet werden können. Viele Detailfragen können mit diesen Instrumenten untersucht werden: Phasenumwandlungen bei sehr kleinen MX-Nuklei, Kohärenzeffekte und mechanische Spannungen an der Grenzfläche von MX-Partikeln und der umliegenden Matrix, die Ordnung der Atome in der mod. Z-Phase, die Entwicklung dieser Ordnung bei der Umwandlung von MX- zu mod. Z-Phase sind nur einige Punkte. Begleitend hierzu sollen Werkzeuge entwickelt werden, um die beobachteten Vorgänge in die klassische Nukleationstheorie zu implementieren: die Modellierung von Nukleation mit radiusabhängigen Grenzflächenenergien, Berücksichtigung der Ordnung der mod. Z-Phase bei der Nukleation, Berücksichtigung von mechanischen Spannungen, Phasenumwandlungen bei sehr kleinen Nuklei etc. Die Ergebnisse dieses Projektes können direkt in die Arbeit von vier verschiedenen österreichischen Forschungsgruppen einfließen, die sich mit ähnlichen Problematiken beschäftigen, sowohl experimentell als auch theoretisch. Somit werden nicht nur Fragen in diesem speziellen Legierungssystem geklärt, sondern auch die Kompetenz österreichischer Forschungsnetzwerke auf breitem Gebiet gestärkt.