Vacancy annihilation, clustering, and trapping in aluminum alloys studied by simulations and experiments

Chen, Xinren; Raabe, Dierk (Thesis advisor); Svendsen, Bob (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Die Kinetik der Phasenumwandlung von Festkörpermaterialien hängt weitgehend von der Diffusionsfähigkeit der Atome ab. Die Diffusion von Substitutionsatomen erfolgt über Leerstellen. Prozesse wie Abschrecken, Bestrahlung und plastische Verformung erhöhen die Leerstellenkonzentration und beschleunigen somit die Diffusionsgeschwindigkeit. Die überschüssigen Leerstellen können von Defekten wie Versetzungen und Korngrenzen absorbiert werden. Die Verteilung der Leerstellen in der Nähe von Defekten wie Korngrenzen ist jedoch weniger gut verstanden. Die Untersuchungen zu den Leerstellen in dieser Arbeit gliedern sich in zwei Teile: 1. Simulationsmethoden und Ergebnisse zum Feld der Leerstellenkonzentration in Aluminium und Aluminiumlegierungen; 2. experimentelle Messungen der Leerstellenkonzentration in Aluminiumlegierungen. Die Simulationen von Leerstellenfeldern kombinieren aktuelle physikalische Modelle, einschließlich der Diffusion von Leerstellen, der Vernichtung von Leerstellen an Gitterdefekten, der Bindung von gelösten Leerstellen und der Kondensation von überschüssigen Leerstellen in den Körnern. Für den spezifischen Abschreckungsprozess und die Korngröße in dieser Arbeit zeigen die Ergebnisse, dass die schnelle Keimbildung von Frank-Versetzungsringen die Übersättigung von Leerstellen erheblich reduziert. Die Ergebnisse zeigen auch eine abnormale Größenverteilung der Frank-Versetzungsringen in der Nähe der Korngrenzen, wie die experimentellen Ergebnisse in dieser Arbeit weiter belegen. Auf der Grundlage der Simulationsergebnisse wurden experimentelle Methoden entwickelt und durchgeführt, um die Verteilung der Leerstellen aufzudecken. Die erste Methode ist die Elektronen-Transmissionsmikroskopie, um die lokale Dichte und Größe der Leerstellen-Frank-Versetzungsringen zu beobachten, was auf die Leerstellenkonzentration schließen lässt, die in den Leerstellen-Frank-Versetzungsringen annihiliert wird. Die zweite Methode ist die Analyse der lokalen Diffusivität von gelösten Stoffen durch spinodale Entmischung, die auf der proportionalen Beziehung zwischen der lokalen Konzentration freier Leerstellen und der atomaren Diffusivität beruht. Ermöglicht wird dies durch die Atomsondentomographie mit dreidimensionaler räumlicher Auflösung im Nanometerbereich und eine kryogene Transfertechnik, die zum Einfrieren von Leerstellen und Atomen verwendet wird.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Werkstoffphysik und Institut für Metallkunde und Materialphysik [523110]