Untersuchungen zur Duktilität von B2-Seltenerd (SE) intermetallischen Verbindungen bei niedrigen Temperaturen
Final Report Abstract
Als Probenmaterial wurden YCu- und YAg-Legierungen von beinahe stöchiometrischer Zusammensetzung durch Lichtbogenschmelzen unter Ar-Atmosphäre mit anschließendem Induktionsschmelzen in einem Al2O3-Tiegel sowie Abguss in eine Graphit-Kokille hergestellt. Ein sich anschließendes Strangpressen zur Erzeugung einer definierten homogenen Mikrostruktur und Textur erfolgte bei 600°C, wobei durch die verwendete Matrize (Ø=13mm) ein Pressgrad von 5,3 realisiert wurde. Mittels Röntgen-Diffraktometrie konnte für YCu nur die 1:1-Phase (B2-Struktur) identifiziert werden, im Gegensatz dazu wurde beim YAg auch ein geringen Anteil an YAg2 festgestellt. Die mittels Neutronen gemessenen Global-Texturen bestätigen die mittels Röntgen-Strahlung erzielten Ergebnisse. Sowohl für YAg als auch YCu kann eine <110>-Faser-Textur festgestellt werden, die für YAg deutlicher ausgeprägt ist. TEM-Untersuchungen haben die Existenz der orthorhombische B27-Phase (a = 0.71 nm, b = 0.45 nm, c = 0.54 nm) des YCu im stranggepressten Ausgangsmaterial und in den Druck- und Zugproben nachgewiesen. Es wurden (111)-Zwillinge in der B27-Phase beobachtet. Die Orientierungsbeziehung zwischen der B27- und der B2-Phase lautet: (001) [1 1 0]B27 || (112) [1 1 0]B2. Elektronen-Beugungsaufnahmen zeigen ebenso, dass neben YAg (1:1-Phase) auch YAg2 in Form von lamellaren Ausscheidungen existiert. Die mittels Druckversuch bei Raumtemperatur aufgenommenen Spannungs-Dehnungs- Kurven zeigen für YAg und YCu analoges Verformungsverhalten. Beide Materialien sind bis zu der vorgenommenen Verformung von 5% duktil, wobei die registrierte Fließspannung für YAg größer als für YCu ist. Das kann in dem geringen Anteil der YAg2-Phase begründet sein. Für die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des Verformungsverhaltens wurden Zugproben entlang der Strangpressrichtung, d.h. entlang der Faserachse der <110>-Faser-Textur präpariert. YAg bleibt bis zu einer Temperatur von 4K bis zum Bruch bei ca. 0,75% Dehnung duktil. Die Zugfestigkeit liegt zwischen 350 MPa und 400 MPa. Im Gegensatz zu YCu konnten mittels Röntgen-Diffraktometrie auf den Bruchflächen der verformten Zugproben bis zu 4K keinerlei Phasenumwandlungen festgestellt werden. Die zur Ermittelung des Spröd-Duktil-Überganges von YCu im Temperaturbereich zwischen 293K und 77K aufgenommenen Spannungs-Dehnungs-Kurven zeigen eine signifikante Abhängigkeit der Bruchspannung und Bruchdehnung von der Temperatur. Bruchspannung σf und plastische Dehnung εf bis zum Bruch nehmen mit sinkender Temperatur bis zu einem Wert von ca. 170K ab, während die Streckgrenze σ0.2 mit 80 MPa annähernd konstant bleibt. Unterhalb dieser Temperatur zeigen σf und εf einen stärkeren Abfall, bei 77K liegt Sprödverhalten vor. Durch röntgendiffraktometrische Untersuchungen der Bruchflächen der Zugproben konnte gezeigt werden, dass eine martensitische Phasenumwandlung der B2-Phase in die spröde, orthorhombische B27-Phase (FeB-Typ) den beobachteten Spröd-Duktil-Übergang bestimmt. Bei RT beginnend wird bis zu einer Temperatur von 173K nur ein geringer Anteil an B27- Phase gebildet, was an eine Verringerung des B2-Anteils gekoppelt ist. Bei 163K und darunter ist die martensitische Umwandlung stärker. Folglich können zwei Bereiche unterschieden werden: Bereich I: 163K < T < RT; Bereich II: 77K < T < 163K. Im Bereich I erfolgt die Umwandlung nur spannungsinduziert, während sie im Bereich II vorwiegend thermisch induziert ist mit zusätzlicher Spannungsassistenz. Der zunehmende Anteil der orthorhombischen Phase ist eindeutig verbunden mit einem Verlust an Duktilität des YCu. Ein drastischer Abfall setzt bei ca. 160K ein, wenn die thermisch induzierte Phasenumwandlung beginnt, wodurch der Spröd-Duktil-Übergang bestimmt wird.
Publications
- Effect of martensitic phase transformation on the ductility of polycrystalline YCu. Scripta Mater. 65 (2011) 779
Oertel, C.-G., Schaarschuch, R., Cao, G.H., Tian, H.N., Freudenberger, J., Brokmeier, H.-G., Skrotzki, W.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2011.07.030) - Transmission electron microscopy investigation of B27 martensitic phase in polycrystalline YCu intermetallic compound. Cryst. Res. Technol. 47 (2012) 13
Cao, G.H., Schaarschuch, R., Oertel, C.-G., Skrotzki, W.
(See online at https://doi.org/10.1002/crat.201100378)
