FWF- Defekte und strukturelle Anisotropie in ultrafeinkristallinen Metallen

In diesem Projekt wurde der Zusammenhang zwischen der Anisotropie der Mikrostruktur und dem Ausheilverhalten von Defekten in ultrafeinkristallinen Metallen mit Hilfe hochpräziser Längenänderungsmessungen, sog. Dilatometrie, in Kombination mit struktureller Charakterisierung mittels Rasterelektronenmikroskopie und Neutronenbeugung aufgeklärt und quantitativ analysiert. Unter anderem konnte dabei ein fundamentaler Strukturparameter in der Festkörperphysik - das Volumen relaxierter Gitterleerstellen - experimentell ermittelt werden. Der Zugang zu anisotropen, d.h. richtungsabhängigen Prozessen erwies sich als herausragender Vorteil der Dilatometrie gegenüber anderen Methoden der thermischen Analyse.

Die ultrafeinkristallinen Metalle mit Korngrößen im Bereich von 100 Nanometern (d.h., einem Zehntel Mikrometer) wurden durch Methoden der extremen plastischen Verformung (SPD, severe plastic deformation), sog. Equal Channel Angular Pressing und Hochdruck-Torsion, hergestellt. Die Prozesse der Strukturverfeinerung durch extreme plastische Verformung sowie auch die besonderen mechanischen Eigenschaften dieser attraktiven Materialklasse sind auf das Engste mit den strukturellen Defekten verknüpft, die in hoher Überschusskonzentration vorhanden sind und die im Fokus dieses Projektes standen.

Ein Modell wurde entwickelt und erfolgreich getestet, welches es ermöglicht, das Volumen von Gitterleerstellen direkt aus der richtungsabhängigen Längenänderung zu ermitteln. Darüberhinaus wurden kinetische Diffusionsmodelle entwickelt, um quantitativ die Längenänderung während des Ausheilens von verformungsinduzierten Defekten zu beschreiben. Diese methodischen Werkzeuge dürften von recht allgemeinen, über den Bereich der SPD-Metalle hinausgehendem Interesse sein.

Neutronenbeugung und Differenzdilatometrie zeigten klar, dass die Anisotropie der Längenänderung ausschließlich der Mikrostruktur jedoch nicht inneren Spannungen zugeordnet werden kann. Der nachgewiesene Zusammenhang zwischen struktureller Anisotropie und dem richtungsabhängigen Ausheilen von Überschussvolumen ermöglichte neben dem Leerstellenvolumen auch den Zugang zum Korngrenzenexzessvolumen – einem weiteren Schlüsselparameter der Materialwissenschaften.

Das Projekt wurde in enger Kooperation mit Gruppen des Erich-Schmid Institutes (OeAD and Montan-Universität Leoben), der Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (TU München, Garching, Deutschland), dem Austrian Institute of Technology (AIT, Wiener Neustadt), dem Institut für Materialphysik der Universität Münster (Deutschland) sowie dem Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz durchgeführt.

In diesem Projekt wurde der Zusammenhang zwischen der Anisotropie der Mikrostruktur und dem Ausheilverhalten von Defekten in ultrafeinkristallinen Metallen mit Hilfe hochpräziser Längenänderungsmessungen, sog. Dilatometrie, in Kombination mit struktureller Charakterisierung mittels Rasterelektronenmikroskopie und Neutronenbeugung aufgeklärt und quantitativ analysiert. Unter anderem konnte dabei ein fundamentaler Strukturparameter in der Festkörperphysik - das Volumen relaxierter Gitterleerstellen - experimentell ermittelt werden. Der Zugang zu anisotropen, d.h. richtungsabhängigen Prozessen erwies sich als herausragender Vorteil der Dilatometrie gegenüber anderen Methoden der thermischen Analyse. Die ultrafeinkristallinen Metalle mit Korngrößen im Bereich von 100 Nanometern (d.h., einem Zehntel Mikrometer) wurden durch Methoden der extremen plastischen Verformung (SPD, severe plastic deformation), sog. Equal Channel Angular Pressing und Hochdruck-Torsion, hergestellt. Die Prozesse der Strukturverfeinerung durch extreme plastische Verformung sowie auch die besonderen mechanischen Eigenschaften dieser attraktiven Materialklasse sind auf das Engste mit den strukturellen Defekten verknüpft, die in hoher Überschusskonzentration vorhanden sind und die im Fokus dieses Projektes standen. Ein Modell wurde entwickelt und erfolgreich getestet, welches es ermöglicht, das Volumen von Gitterleerstellen direkt aus der richtungsabhängigen Längenänderung zu ermitteln. Darüberhinaus wurden kinetische Diffusionsmodelle entwickelt, um quantitativ die Längenänderung während des Ausheilens von verformungsinduzierten Defekten zu beschreiben. Diese methodischen Werkzeuge dürften von recht allgemeinen, über den Bereich der SPD-Metalle hinausgehendem Interesse sein. Neutronenbeugung und Differenzdilatometrie zeigten klar, dass die Anisotropie der Längenänderung ausschließlich der Mikrostruktur jedoch nicht inneren Spannungen zugeordnet werden kann. Der nachgewiesene Zusammenhang zwischen struktureller Anisotropie und dem richtungsabhängigen Ausheilen von Überschussvolumen ermöglichte neben dem Leerstellenvolumen auch den Zugang zum Korngrenzenexzessvolumen einem weiteren Schlüsselparameter der Materialwissenschaften. Das Projekt wurde in enger Kooperation mit Gruppen des Erich-Schmid Institutes (OeAD and Montan-Universität Leoben), der Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (TU München, Garching, Deutschland), dem Austrian Institute of Technology (AIT, Wiener Neustadt), dem Institut für Materialphysik der Universität Münster (Deutschland) sowie dem Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz durchgeführt.