High Resolution Electron Microscopy Investigation of Interfaces in Martensitic Phase Transformations

Durch die systematischen Untersuchungen martensitischer Phasenumwandlungen mittels atomar auflösender Durchstrahlungs-Elektronenmikroskopie ist es gelungen, die Mechanismen der atomaren Verschiebungsvorgänge an den Phasengrenzflächen sowie der Kompensation von Umwandlungsverzerrungen im Detail zu analysieren und direkt mit dem makroskopischen Transformationsverhalten zu korrelieren. Martensitische Phasenumwandlungen sind komplexe, spontan ablaufende Strukturänderungen im festen Zustand; sie sind international von großem technologischem und wissenschaftlichem Interesse. Martensitische Phasenstrukturen ermöglichen in Stahl große Härte bei guter Verformbarkeit. Formgedächtnislegierungen weisen außergewöhnliche thermomechanische Eigenschaften auf und werden z.B. in Thermoschaltern und chirurgischen Instrumenten eingesetzt. Martensitische Phasenumwandlungen beruhen auf atomaren Verschiebungsvorgängen an den Phasengrenzflächen zwischen der Ausgangsphase und der Produktphase (den martensitischen Domänen). Die atomaren Verschiebungen führen zu umwandlungsinduzierten Verzerrungen. Die Energie der Verzerrungen, der Phasengrenzflächen und der martensitische Domänengrenzflächen sind ebenso wie die Korngrenzenflächen der Ausgangsphase für die Umwandlung von zentraler Bedeutung. Erstmals wurden die Phasengrenzflächen durch höchstauflösende Durchstrahlungs-Elektronenmikroskopie direkt im Inneren hochreiner Kobalt-Eisen Einkristalle abgebildet und durch Vergleich mit Modellrechnungen und Bildsimulationen analysiert. Dynamisch ablaufende Umwandlungsvorgänge wurden durch in-situ Heiz- und Kühlexperimente direkt im Elektronenmikroskop verfolgt. Ferner wurden nanokristalline Nickel-Titan Formgedächtnislegierungen mit einer extrem hohen Dichte an Korngrenzenflächen auf atomarer Ebene untersucht. In den Kobalt-Eisenlegierungen zeigt sich, dass an den Phasengrenzflächen kollektive atomare Verschiebungsvorgänge auftreten und damit zur entsprechenden Strukturänderung führen. Eine Beschreibung der Grenzfläche wurde in der Terminologie von linearen Gitterdefekten, den sogenannten Versetzungen, durchgeführt. Dies ermöglicht eine eindeutige Korrelation des makroskopischen Transformationsverhaltens mit den möglichen atomaren Anordnung der Grenzflächenversetzungen. Zwei verschiedene und konkurrierende Moden der Umwandlung wurden beobachtet. Eine auf atomarer Skala alternierende Abfolge unterschiedlicher Transformationsversetzungen führt zur bestmöglichen Kompensation der Umwandlungsverzerrungen. Hingegen treten bei gleichnamigen Versetzungen hohe innere Verzerrungen auf und stimulieren die Umwandlung weiterer Martensitdomänen, die wiederum neue Bereiche zur Umwandlung bringen. Daher breitet sich die Transformation nahezu explosionsartig über das gesamte Kristallvolumen aus.