Thermodynamik des Legierungsverhaltens nanokristalliner Materialien

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Der nanokristalline Zustand ist gekennzeichnet durch eine außerordentlich hohe Dichte von Kristalldefekten, die zur Änderung grundlegender Eigenschaften wie Phasenstabilität, Schmelzpunkt und Löslichkeit für Legierungselemente führt. An nanokristallinen Materialien mit mehreren Komponenten beobachtete Zustände lassen sich durch existierende thermodynamische Modelle nur unzureichend beschreiben. Ziel der vorgeschlagenen Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe ist daher die theoretische und experimentelle Aufklärung der Veränderung von Gleichgewichten in nanokristallinen Legierungssystemen. Grundannahme der thermodynamischen Modellierung ist die Materialkonstitution aus bulk- und Korngrenzenphasen. Bei der Berechnung der freien Enthalpien der bulk- Phasen werden aus Zwangbedingungen an den Korngrenzen und aus gekrümmten Grenzflächen herrührende elastische Energien berücksichtigt. Die Korngrenzen sollen als Mischkristall mit aufgeweitetem Gitter behandelt werden. Die thermodynamisch stabilsten Konfigurationen werden numerisch ermittelt. Im Ergebnis werden Phasendiagramme in Abhängigkeit von der Korngröße berechnet, wobei die Aufmerksamkeit Systemen mit eingeschränkter Löslichkeit im festen Zustand gilt. Die experimentellen Untersuchungen werden an den Modellsystemen Kupfer-Chrom und Kupfer-Niob durchgeführt, wobei der nanokristalline Zustand durch mechanisches Legieren eingestellt wird. Da hierbei bekanntermaßen Zustände fernab vom Gleichgewicht entstehen, wird zunächst die Strukturentwicklung bei thermischer Aktivierung analysiert. Unter Nutzung des Stabilitätsbereiches des Gefüges sind eingeschränkte Gleichgewichte nanoskaliger Phasen einzustellen und zu untersuchen. Mit DSC, XRD, TEM und SAXS werden die jeweils stabilen Phasen identifiziert und Gefügeparameter bestimmt. Daraus lassen sich korngrößenabhängige Phasendiagramme konstruieren. Mit hochauflösender Elektronenmikroskopie wird die räumliche Verteilung der Legierungselemente zwischen Kornvolumina und Korngrenzen analysiert. Da generell von einer Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichte auszugehen ist, sind Phasenzusammensetzungen auch bei hohen Temperaturen beziehungsweise an abgeschreckten Proben zu messen. Diese Ergebnisse sollen direkt mit thermodynamischen Berechnungen verglichen werden. Im Ergebnis der durchzuführenden Untersuchungen entstehen umfassende theoretische und experimentelle Erkenntnisse zu den Phasengleichgewichten in zwei nanokristallinen Legierungen mit Modellcharakter, die auf eine weite Stoffklasse übertragbar sind.