FWF- Freie Volumen in massiven nanokristallinen Metallen

Projekt: Foschungsprojekt

Projektdetails

Beschreibung

In dem Projekt konnten durch Kombination von makroskopischen Messungen – hoch präzise diffe-rentielle Längenmessungen, sog. Dilatometrie, – und atomistischen spektroskopischen Methoden (Positron-Elektron Annihilation) Gitterbaufehler in massiven nanokristallinen Materialien identifi-ziert, quantitativ analysiert und hinsichtlich ihrer Stabilität untersucht werden. Genutzt wurde hierzu u.a. der hochintensive Positronenstrahl an der Forschungsneutronenquelle FRM II, der es ermöglich-te, die Kinetik der Gitterbaufehler in-situ und auf exakt der gleichen Zeitskala wie bei den dilatome-trischen Längenmessungen zu untersuchen. Im Zuge des Projekts konnte u.a. erstmals das sog. Über-schussvolumen von Korngrenzen – eine fundamentale strukturelle Materialkenngröße – mit der direk-ten Absolutmethode der Dilatometrie experimentell quantitativ bestimmt werden.

Nanokristalline Metalle weisen aufgrund ihrer ultrafeinen Kristallitgröße neue und verbesserte Eigen-schaften im Vergleich zu grobkristallinen Varianten auf. Im vorliegenden Projekt wurden massive nanokristalline Metalle durch starke plastische Verformung, sog. Hochdruck-Torsion (high-pressure torsion, HPT) hergestellt. Die mit dieser Methode erzielbaren makro¬skopischen Abmessungen (in der Größenordnung von cm) bilden einerseits die Grundlage für technische Anwendungen und ermög-lichten andererseits im vorliegenden Projekt den neuarti¬gen Zugang zu Materialdefekten mit der hochspezifischen Methode der Dilatometrie. Hergestellt und untersucht wurden Metalle mit kubisch-raumzentrierter (Fe, Ta) und kubisch-flächenzentrierter Struktur (Cu, Ni). Bei allen untersuchten Pro-ben konnten hohe Absolutkonzentrationen an Überschussvolumen in der Größenordnung von einigen 10-3 (Promille) festgestellt werden. Durch Korrelation mit Ergebnissen der Positronenannihilationsspektroskopie sowie rasterelektronenmikroskopischen Bestimmungen der Kristallitgrößen konnte das freie Volumen den verschiedenen Gitterdefekten (Gitterleerstellen, Versetzungen, Korngrenzen) zu-geordnet werden. Darüber hinaus wurde die Kinetik der Defektausheilung quantitativ analysiert wer-den. Insgesamt können diese Daten einen wichtiger Beitrag liefern zum vertieften Verständnis der verformungsinduzierten Prozesse bei der Strukturverfeinerung durch HPT sowie der verbesserten mechanischen Eigenschaften und der schnellen atomaren Diffusion in diesen ultrafein-kristallinen Materialien.

Das Projekt wurde in enger Kooperation mit Arbeitsgruppen des Erich-Schmidt Instituts (OeAD, Leoben), der Fakultät für Physik der Universität Wien sowie der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (München-Garching) durchgeführt. Resultate des Projekts wurden u.a. in zwei Beiträgen zur Fachzeitschrift Physical Review Letters publiziert (siehe auch FWF-Pressenotiz
http://www.fwf.ac.at/de/public_relations/press/pv201011-de.html).

Beschreibung

In dem Projekt konnten durch Kombination von makroskopischen Messungen hoch präzise diffe-rentielle Längenmessungen, sog. Dilatometrie, und atomistischen spektroskopischen Methoden (Positron-Elektron Annihilation) Gitterbaufehler in massiven nanokristallinen Materialien identifi-ziert, quantitativ analysiert und hinsichtlich ihrer Stabilität untersucht werden. Genutzt wurde hierzu u.a. der hochintensive Positronenstrahl an der Forschungsneutronenquelle FRM II, der es ermöglich-te, die Kinetik der Gitterbaufehler in-situ und auf exakt der gleichen Zeitskala wie bei den dilatome-trischen Längenmessungen zu untersuchen. Im Zuge des Projekts konnte u.a. erstmals das sog. Über-schussvolumen von Korngrenzen eine fundamentale strukturelle Materialkenngröße mit der direk-ten Absolutmethode der Dilatometrie experimentell quantitativ bestimmt werden.
Nanokristalline Metalle weisen aufgrund ihrer ultrafeinen Kristallitgröße neue und verbesserte Eigen-schaften im Vergleich zu grobkristallinen Varianten auf. Im vorliegenden Projekt wurden massive nanokristalline Metalle durch starke plastische Verformung, sog. Hochdruck-Torsion (high-pressure torsion, HPT) hergestellt. Die mit dieser Methode erzielbaren makroskopischen Abmessungen (in der Größenordnung von cm) bilden einerseits die Grundlage für technische Anwendungen und ermög-lichten andererseits im vorliegenden Projekt den neuartigen Zugang zu Materialdefekten mit der hochspezifischen Methode der Dilatometrie. Hergestellt und untersucht wurden Metalle mit kubisch-raumzentrierter (Fe, Ta) und kubisch-flächenzentrierter Struktur (Cu, Ni). Bei allen untersuchten Pro-ben konnten hohe Absolutkonzentrationen an Überschussvolumen in der Größenordnung von einigen 10-3 (Promille) festgestellt werden. Durch Korrelation mit Ergebnissen der Positronenannihilations-spektroskopie sowie rasterelektronenmikroskopischen Bestimmungen der Kristallitgrößen konnte das freie Volumen den verschiedenen Gitterdefekten (Gitterleerstellen, Versetzungen, Korngrenzen) zu-geordnet werden. Darüber hinaus wurde die Kinetik der Defektausheilung quantitativ analysiert wer-den. Insgesamt können diese Daten einen wichtiger Beitrag liefern zum vertieften Verständnis der verformungsinduzierten Prozesse bei der Strukturverfeinerung durch HPT sowie der verbesserten mechanischen Eigenschaften und der schnellen atomaren Diffusion in diesen ultrafein-kristallinen Materialien.
Das Projekt wurde in enger Kooperation mit Arbeitsgruppen des Erich-Schmidt Instituts (OeAD, Leoben), der Fakultät für Physik der Universität Wien sowie der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (München-Garching) durchgeführt. Resultate des Projekts wurden u.a. in zwei Beiträgen zur Fachzeitschrift Physical Review Letters publiziert (siehe auch FWF-Pressenotiz
http://www.fwf.ac.at/de/public_relations/press/pv201011-de.html).
StatusAbschlussdatum
Tatsächlicher Beginn/ -es Ende1/10/0831/05/12