Plastizität und Phasenumwandlung der Alkali-Metalle

Ziel des Projektes war die Aufklärung grundlegender Mechanismen plastischer Verformung und martensitischer Phasenumwandlungen in Metallen kubisch-raumzentrierter Gitterstruktur am Beispiel der Gruppe der Alkalimetalle. Diese sind zwar aufgrund ihrer Weichheit und extremen Reaktivität in Kontakt mit Luftsauerstoff und Wasserdampf als technische Werkstoffe kaum geeignet, stellen aber wegen ihrer einfachen elektronischen Struktur und den daraus resultierenden günstigen Möglichkeiten theoretischer Simulation und Modellierung wichtige Modellmaterialien für Grundlagenuntersuchungen und für den Vergleich Theorie - Experiment dar. Im Rahmen des Projektes wurden insbesonders die Gleitgeometrie von Kalium im Temperaturbereich von 4K bis 70K sowie die Phasenumwandlung von Lithium studiert. a) Gleitgeometrieuntersuchungen an Kalium Es wurde ein quantitatives theoretisches Modell für die komplexen Gleitvorgänge in kubisch-raumzentrierten Metallen entwickelt, welches die in der Literatur etablierte thermodynamische Theorie der Kinkpaarbildung um geometrische und kristallographische Aspekte erweitert. Der wesentliche Ansatzpunkt besteht darin, das komplizierte makroskopisch beobachtbare Gleitverhalten ("nichtkristallographische Gleitung") durch Zusammensetzung von Elementarschritten der Kinkpaarbildung auf wohldefinierten "elementaren" Gleitebenen zu modellieren. Experimentelle Untersuchungen an hochreinen Kalium-Einkristallen wurden mit der Methode der Röngenbeugungsanalyse bei in-situ Verformung durchgeführt. Die Auswertung der Versuche mit dem genannten Modell zeigte, daß der Elementarschritt der Gleitung in Kalium auf (123)-Ebenen erfolgt. Eine sprunghafte Änderung der Gleitgeometrie bei einer bestimmten Übergangstemperatur, wie sie aufgrund verschiedener indirekter experimenteller Hinweise vermutet worden war, wurde nicht beobachtet. Damit kann die Gleitgeometrie des elementaren Metalles Kalium als vollständig aufgeklärt angesehen werden. Die entwickelten experimentellen und theoretischen Methoden stellen eine Grundlage für künftige Untersuchungen an den technologisch wichtigen Übergangsmetallen (Eisen, Molybdän,Wolfram) dar. b) martensitische Phasenumwandlung von Lithium Martensitische Phasenumwandlungen in Metallen führen zu Strukturänderungen über 8 Größenordnungen, von atomarer bis zu makroskopischer Längenskala. Im vorliegenden Projekt wurde besonderes Augenmerk auf die Wechselwirkungen zwischen den Vorgängen auf atomarer und auf mesoskopischer Ebene gelegt, welche noch weitgehend unverstanden sind und daher an einem einfachen Modellmaterial studiert werden sollten. Als Methoden dienten insbesonders Lichtmikroskopie und Neutronenstreuung. Für lichtmikroskopische in-situ Untersuchungen an Alkalimetallen, welche hier erstmalig durchgeführt wurden, mußten aufwendige chemische Präparationstechniken entwickelt werden, da herkömmliche metallographische Poliermethoden völlig versagen. Es wurde eine Fülle von neuen und teilweise überraschenden Ergebnissen über Mikrostruktur, Kristallographie und Kinetik der Phasenumwandlung sowie über die Nukleation der Martensitphase erzielt. Als wichtigstes Resultat soll hervorgehoben werden, daß die kubisch-flächenzentrierte Phase als die eigentliche thermodynamische Gleichgewichtsstruktur von Lithium identifiziert wurde. Im Experiment tritt diese nur als Zwischenphase beim Aufwärmen von tiefen Temperaturen auf. Die hauptsächlich beobachtete rhomboedrische 9R-Struktur erweist sich als metastabile Phase, welche nur aufgrund der günstigeren geometrischen Randbedingungen gebildet wird. Das Ergebnis steht in Gegensatz zu den publizierten quantenmechanischen ab-initio Rechnungen an Lithium und zeigt, daß letztere noch verbesserungsbedürftig sind.