Freies Volumen in Al-reichen nanokristallinen Legierungen

Al-reiche nanokristalline Legierungen sind auf Grund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften von beträchtlichem Interesse. Mit dem Ziel, zu einem Verständnis der atomaren Struktur der Grenzschicht sowie der Prozesse während der verschiedenen Nanokristallisationsstadien beizutragen, befasst sich das vorliegende Projekt mit der Untersuchung freier Volumen in Grenzschichten von Al-Sm and Al-Y-Fe Legierungen mit Hilfe der Methoden der Positronenlebensdauer- und der koinzidenten Doppler-Verbreiterungs-Spektroskopie. Die Kombination dieser beiden Techniken liefert einzigartige und neue Informationen, sowohl über die Größe der freien Volumen wie auch die chemische Umgebung dieser freien Volumen, die mit anderen Methoden nicht erhalten werden können. Da die Positronen, die aus den Nanokristalliten austreten, vor allem in den Grenzflächen zwischen den Nanokristalliten und der intergranularen amorphen Phase eingefangen werden, ist die Positronenannihilation besonders geeignet, um freie Volumina in diesen Grenzflächen zu untersuchen. Diese freien Volumen spielen im Nanokristallisationsprozess von Al-reichen Legierungen eine wichtige Rolle. Es sollen die folgenden wichtigen Probleme behandelt werden: Untersuchung der Übergangsmetallanreicherung an den Grenzflächen, die zwischen den Al Nanokristalliten und der amorphen Matrix gebildet werden. Untersuchung der Abhängigkeit der Größe und der "Chemie" der freien Volumen von den gewählten Nanokristallisationsprozessen (thermisch induziert bzw. Deformations- bedingt) sowie den Prozessstadien (d.h. Abhängigkeit von Anlassen und Deformation) Variation und Optimierung der Legierungszusammensetzung im Hinblick auf eine hohe Dichte der primären Kristallite, einen hohen Volumenanteil von Nanokristalliten und eine hohe thermische Stabilität. Diese atomaren Untersuchungen der freien Volumen werden ergänzt durch strukturelle Charakterisierungen mit Hilfe von Röntgenbeugung und Transmissionselektronen-spektroskopie. Um die Möglichkeiten der koinzidenten Dopplerverbreiterung als neue analytische Methode zur Untersuchung von Grenzflächen komplexer Materialien eindeutig abschätzen zu können, werden die Ergebnisse dieser Methode mit Untersuchungen mittels hochauflösender Elektronenmikroskopie verglichen.

Aluminiumlegierungen sind als Leichtwerkstoffe mit hoher Festigkeit von zentraler Bedeutung. Entsprechend attraktiv ist es daher, durch Strukturverfeinerung die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen weiter zu verbessern. Hierzu werden derzeit Verfahren, basierend auf starker plastischer Verformung oder Schnellabschrecken, intensiv entwickelt und erforscht, die es erlauben, Legierungen mit nanoskaliger kristalliner oder amorpher Struktur herzustellen. Die komplexen Prozesse der Strukturverfeinerung bei der Herstellung sowie auch die hieraus resultierenden Materialeigenschaften werden durch freie Volumen von atomarer Ausdehnung, wie Gitterleerstellen und daraus gebildete Agglomerate im kristallinen Zustand sowie strukturelle freie Volumen in Grenzflächen und amorphen Phasen, massiv beeinflusst. Im vorliegenden Projekt wurde erstmals die hochempfindliche und sensitive der Positronenannihilationsspektroskopie dazu verwendet, um atomare freie Volumen in ausgewählten Modellsystemen während der Strukturverfeinerung von Aluminiumlegierungen zu untersuchen. Im Detail untersucht wurde (i) die Nanokristallisation in schnell abgeschreckten amorphem Al88Y7 Fe5 , (ii) die Nanokristallisation und Amorphisierung von Al-Sm während der Hochverformung durch repititives Kaltwalzen und (iii) die Strukturverfeinerung von ausscheidungshärtbarem Al-Cu-Mg-Mn infolge von starker Torsionsverformung und hohem Druck. Neben der Positronlebensdauerspektroskopie zur Untersuchung der Größe freier Volumen erweist sich insbesondere die zweidimensionale Doppler-Verbreiterung als neuartiges leistungsfähiges Werkzeug, die chemische Umgebung freier Volumen auf atomarer Skala zu untersuchen. In allen drei untersuchten Al- Legierungssystemen wurden auf diese Weise charakteristische Variationen der chemischen Umgebung freier Volumen infolge der Strukturverfeinerung beobachtet. In Kombination mit mikrostrukturellen Untersuchungen mit der Röntgenbeugung und Transmissionselektronenmikrosopie konnten hieraus detallierte Erkenntnisse über die atomistischen Vorgänge der Fragmentierung von Ausscheidungen während Hochverformung (Al-Cu-Mg-Mn) und über Phänomene der Grenzflächensegregation, die in Zwischenstadien der verformungsinduzierten Amorphisierung (Al-Sm) und der thermisch induzierten Nanokristallisation (Al-Y-Fe) auftreten, gewonnen werden. Insgesamt wurde mit diesem Projekt das Anwendungspotential der Positronenannihilationsspektroskopie auch bei komplexen materialphysikalischen Fragestellungen demonstriert.