Metastabile Phasen in intermetallischen Legierungen

Extreme plastische Verformung von intermetallischen Legierungen kann dazu verwendet werden, metastabile Phasen herzustellen. Die entstehenden metastabilen Phasen, die weit entfernt vom thermischen Gleichgewichtszustand sind, zeigen häufig verbesserte Eigenschaften gegenüber den kristallinen oder Gleichgewichtsphasen. Daher sind metastabile Phasen momentan ein spannendes Forschungsgebiet der Materialwissenschaft und es besteht großes Interesse, die Faktoren, die die Umwandlung und die Stabilität dieser neuen Phasen kontrollieren, umfassend zu verstehen. Der Zweck des vorliegenden Projekts ist, experimentelle Erkenntnisse über Bildung, Struktur, Eigenschaften und Stabilität verformungsinduzierter metastabiler Phasen in intermetallischen Verbindungen zu gewinnen. Hauptsächlich werden L12 geordnete (Zr 3 Al, Co3 Ti) und B2 geordnete (FeAl, CoTi) Legierungen untersucht werden. Die metastabilen polymorphen Phasen werden durch Hochdruck-Torsionsexperimente und "accumulative roll-bonding" hergestellt. Im Rahmen des Projekts werden folgende innovative Aspekte untersucht: 1) die Entwicklung und die Charakterisierung der verschiedenen metastabilen Phasen 2) die grundlegenden Verformungsmechanismen in nanokristallinen intermetallischen Legierungen 3) das zyklische Auftreten der amorphen Phase in CoTi und Co3Ti während Hochverformung 4) die thermische Stabilität und die Erholungsprozesse der metastabilen Strukturen. Um die Ziele des Projekts zu erreichen, werden innovative Experimente mit sorgfältig gewählten Parametern durchgeführt (z.B.: Redeformation verschiedener nanokristalliner Strukturen, Ordnungseinstellung unter verschiedenen hydrostatischen Drucken nach Entordnung). Die systematischen experimentellen Standards werden auf TEM Untersuchungen inklusive TEM mit atomarer Auflösung aufgebaut sein. Zusätzlich kommen ergänzende Methoden (z.B. Differenzkalorimetrie, Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenstreuung) zum Einsatz. Die systematische Untersuchung wird zu neuen experimentellen Ergebnissen führen, die zu einem tieferen Verständnis der Grundlagen von verformungsinduzierten metastabilen Phasen beitragen. Diese Ergebnisse können den Weg dazu ebnen, durch kontrollierte Verformung neue Verbundmaterialien, bestehend aus verschiedenen metastabilen Phasen (z.B. geordnet grobkörnig und entordnet nanokristallin; nanokristallin und amorph) zu entwickeln und deren Eigenschaften nach Wunsch zu gestalten.

Das grundlegende Ziel des Projektes "Metastabile Phasen in intermetallischen Legierungen" lag in der Charakterisierung, der Erforschung der Entwicklung und der Stabilität von metastabilen Strukturen, die durch extreme plastische Verformung von intermetallischen Legierungen erzeugt wurden. Metastabile Strukturen sind Strukturen weg vom thermodynamischen Gleichgewicht, wobei sie sich nur langsam in die Gleichgewichtsstruktur umwandeln. Sie sind von hohem wissenschaftlichem und technologischem Interesse, da sie häufig neuartige physikalische und mechanische Eigenschaften besitzen. In dem vorliegendem Projekt wurden metastabile Strukturen in Form von nanokristallinen und amorphen Materialien untersucht: nanokristalline Materialien besitzen unterschiedlich orientierte strukturelle Einheiten (Körner) mit Größen im Bereich von 100nm und darunter; amorphe Materialien sind feste Materialien ohne langreichweitige periodische Anordnung der Atome. Diese Strukturen wurden mit geeigneten Charakterisierungsmethoden für Nano-materialien mit Hauptaugenmerk auf der Transmissions-Elektronenmikroskopie untersucht. Die Untersuchungen lieferten die atomare Endstruktur und Sättigungsmikrostruktur der metastabilen Phase nach extrem plastischer Verformung. Sie sind stark mit der atomaren Struktur von Gitterdefekten (Versetzungen) korreliert, welche die Verformung tragen. Abhängig vom Typ der Versetzungen tritt eine Tendenz zu chemischer Entordnung oder Amorphisierung auf. Ein weiteres wichtiges Ergebnis war die Erklärung der heterogenen, verformungsinduzierten Bildung von verfeinerten Strukturen aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften. Der Übergang zu einer weicheren Phase tritt bei Annäherung an die amorphe Phase auf und ist mit dem Wechsel des Verformungsmechanismus verbunden. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass im Zuge der Verformung der amorphen Phase Nanokristalle entstehen können, die eine zur Umgebung unterschiedliche chemische Zusammensetzung besitzen können. Ein weiterer Schwerpunkt der Projektes - die Untersuchung der Stabilität der metastabilen Phase - klärte den Prozess der Wiederherstellung der chemischen Ordnung und offenbart die Möglichkeit der Korngrößenverkleinerung durch Heizen bei speziellen Bedingungen. Dieses Resultat ist bemerkenswert, da es konträr zum klassischen Kornwachstum ist. Um die Ziele des Projektes zu erreichen, wurden neue Auswertemethoden und die zugehörige Software entwickelt. Den wissenschaftlichen Ergebnissen entsprechend zeigt sich der allgemeine Erfolg des Projektes in den Veröffentlichungen in hochrangigen Zeitschriften der Material-wissenschaften, den Präsentationen bei zahlreichen internationalen Konferenzen und der Verleihung von nationalen und internationalen Preisen.