Untersuchungen zum Segregationsverhalten und zur Linienspannung von Korngrenzentripellinien in Kupferlegierungs-Trikristallen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Tripellinien sind spezielle strukturelle Defekte, die in nanokristallinen Materialien starke Bedeutung erlangen. Ihre energetischen und chemischen Eigenschaften sind jedoch weitgehend unbekannt. Das Projekt hatte das Ziel die dedizierte Energie der Tripellinien zu messen und die Korrelation derselben mit chemischer Segregation in binären Legierungen aufzudecken. Es wurden Trikristalle verschiedener Korngrenzorientierungen hergestellt und mittels thermischer Ätzung und Messungen der Oberflächentopographie die Tripellinienenergie aus einem Gleichgewicht der Linienspannungen bestimmt. Es werden Energien von 1.0 -7.0 ×10^-9 J/m beobachtet. Der jeweilige Wert korreliert stark mit der Energie der umgebenden Korngrenzen, was im Rahmen eines geometrischen Modells plausibel gemacht werden konnte. Trikristalle wurden parallel mit der Atomsondentomographie gemessen. Es wurde die für eine quantitative Auswertung an Tripellinien erforderliche Methodik entwickelt. Überraschenderweise bedeutet eine lokale Konzentrationserhöhung an der TL nicht unmittelbar einen positiven Exzess, da dieser eine sensitive Differenz zwischen der aktuellen Zahl der Fremdatome in dem betrachteten Volumen und dem Erwartungswert aufgrund der Korngrenzen darstellt. An wenigen Beispielen konnte der chemische Exzess von Cu an Tripellinien in Ni in einer Größe von 0-30 at/nm bestimmt werden. Allerdings ist die statistische Unsicherheit in der Bestimmung der sehr kleinen Konzentrationsdifferenz groR, so dass selbst ein negativer Exzess nicht vollstiindig ausgeschlossen werden kann. Die direkte Korrelation der Proben in der Messung der Energie und der Segregation wurde jedoch bisher nicht erreicht. Zur Interpretation der Ergebnisse wurden begleitende Molekular-Dynamische Modellrechnungen durchgeführt. Überraschend weisen die Simulationsrechnungen darauf hin, dass die TL-Energie tendenziell eher negativ und vom Betrage eine Größenordnung kleiner sein sollte als in unseren Experimenten bestimmt. Diese Diskrepanz zu den Messungen konnte nicht abschlieBend geklärt werden. Eine kritische Reflexion des Messverfahrens zeigt, dass in der Auswertung mölicherweise der direkte Einfluss der Korngrenzen auf die Oberflächentopographie nicht korrekt berücksichtigt wird. Das erhoffte ambitionierte Ziel wurde in dem Bearbeitungszeitraum nicht erreicht. Gleichzeitig zeigen die Teilergebnisse, dass die Problemstellung doch gut gewählt war. Es entstand aufgrund der Arbeiten ein weit schäferes Bild, das wichtige Eigenschaften der Tripellinien quantitativ eingrenzt, einige der zu erwartende Eigenschaften von TL auch im Vergleich zur Literatur klarer herausarbeitet und so erst erlaubt, die richtigen Fragen für zukünftige Forschung zu diesem Thema zu formulieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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‘Defect analysis by statistical fitting to 3D atomic maps’, Ultramicroscopy, 132 (2013) 86-91
Z. Balogh, C. Oberdorfer, M.R. Chellali, P. Stender, S. Nowak and G. Schmitz
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‘Nano-analysis of grain boundary and triple junction transport in nanocrystalline Ni/Cu’, Ultramicroscopy, 132 (2013) 164-170
M.R. Chellali, Z. Balogh and G. Schmitz
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On the orientation dependence of grain boundary triple line energy in Cu. International Journal of Materials Research
B. Zhao, L.S. Shvindlerman, G. Gottstein
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The line tension of grain boundary triple junctions in a Cu-Ni alloy, Materials Letters 137 (2014) 304
B. Zhao, L.S. Shvindlerman, G. Gottstein
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‘Diffusion in Metals and Alloys’ in D.E. Laughlin and K. Hono (eds.),‘Physical Metallurgy’, Elsevier (2014), pp 471
Zoltan Balogh and Guido Schmitz
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’Embedded-Atom Potential for an Accurate Thermodynamic Description of the Iron-Chromium System’, Computational Materials Science 104 (2015) 185-192
S. Eich, D. Beinke, G. Schmitz
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Embedded-atom study of low-energy equilibrium triple junction structures and energies, Acta Mater. 109, (2016) Pages 364–374
S.M. Eich, G. Schmitz
