Untersuchungen zur Erzeugung gerichteter lamellarer metallischer Verbundwerkstoffe durch Festkörperreaktionen PDF
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FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN Nr. 2950/Fachgruppe Physik/Chemie/Bio!ogie Herausgegeben vom Minister fur Wissenschaft und Forschung Dr. rer. nat. Manfred Frebel Institut fUr Metallforschung der UniversiHit Milnster Untersuchungen zur Erzeugung gerichteter. lamellarer metallischer Verbundwerkstoffe durch F estkorperreaktionen Westdeutscher Verlag 1980 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Frebel, Manfred: Untersuchungen zur Erzeugung gerichteter lamellarer metallischer Verbundwerkstoffe durch Festkorperreaktionen / Manfred Frebel. - Opladen : Westdeutscher Verlag, 1980. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen ; Nr. 2950 : Fachgruppe Physik, Chemie, Biologie) ISBN 978-3-531-02950-4 ISBN 978-3-322-88488-6 (eBook) DOl 10.1007/978-3-322-88488-6 © 1980 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag ISBN 978-3-531-02950-4 - 3 - Inhaltsverzeichnis Seite Verzeichnis wichtiger Symbole 6 1. Einleitung 9 2. Kontinuierliche Ausscheidungsreaktionen 12 in Legierungen des Mg mit Ag, Bi, In, Pb, Sn, Tl und Zn 2.1 Allgemeine Bemerkungen 12 2.2 Experimentelle Hinweise 12 2.3 Experimentelle Ergebnisse 14 2.3.1 Mg-Ag 14 2.3.2 Mg-Bi 17 2.3.3 M~fu 17 2.3.4 Mg-Pb 17 2.3.5 Mg-Sn 19 2.3.6 Mg-Tl 19 2.3.7 Mg-Zn 19 2.4 Diskussion 23 3. Diskontinuierliche Ausscheidungsreakti- 30 onen in Ni-In- und Mg-Al-Legierungen 3.1 Theoretische Grundlagen 30 3.1.1 Das Anfangsstadium 30 3.1.2 Thermodynamische Grundlagen der Bewe- 39 gung der Reaktionsfront 3.1.3 Das Diffusionsproblem 43 3.1.4 Das Lamellenabstandsproblem 48 3.2 MeBgroBen und Untersuchungsmethoden 50 3.3 Experimentelle Ergebnisse 51 3.3.1 Morphologie 51 3.3.2 Ausscheidungsgrad 53 3.3.3 Wachstumsgeschwindigkeit 53 3.3.4 Lamellenabstande 53 3.4 Auswertung und Erorterung der Unter 62 suchungsergebnisse anhand der Modell vorstellungen 3.4.1 Thermodynamik 62 - 4 - Seite 3.4.2 Diffusion 68 3.4.3 Lamellenabstand 79 3.5 Erzeugung von anisotropen in situ Kompo- 93 siten durch die diskontinuierliche Aus scheidungsreaktion 4. Die gerichtete Umwandlung des a-Cu-In- 95 Eutektoids 4.1 Allgemeine Bemerkungen 95 4.2 Experimentelle Methoden 95 4.3 Experimentelle Ergebnisse 97 4.3.1 Lamellenabstand 99 4.3.2 GefUgefehler 99 4.4 Diskussion 104 5. Der elektrische Widerstand des gerich- 110 tet umgewandelten a-Cu-In-Eutektoids 5.1 Vorbemerkungen 110 5.2 Experimentelle Methoden 111 5.3 Experimentelle Ergebnisse 112 5.4 Diskussion 116 5.4.1 Elektrische Ersatzschaltung fUr das 116 gerichtete lamellare GefUge 5.4.2 Der EinfluB des Size-Effektes auf den 117 spezifischen Widerstand der Lamellen 5.4.3 Der EinfluB des Indiumgehaltes der a - 118 Mischkristall-Lamellen 5.4.4 Mittlere freie Weglange der Leitungs- 120 elektronen 5.4.5 AbschlleBende Betrachtungen 124 6. Diskontlnuierliche Koagulationsreaktio- nen 1m lamellaren GefUge des Pb-Sn Eutektlkums, des a-Cu-In-Eutektoids sowie des Systems Ni-In 6.1 Vorbemerkungen 125 6.2 Theoretische Grundlagen der diskontl 126 nulerlichen Koagulationsreaktion - 5 - Seite 6.3 Experimentelle Ergebnisse 129 6.3.1 Morphologie 129 6.3.2 Kinetik 142 6.4 Auswertung und Diskussion der Unter- 147 suchungsergebnisse 6.4.1 Morphologie 147 6.4.2 Thermodynamik 153 6.4.3 Kinetik und Diffusion 153 6.5 AbschlieBende Bemerkungen 165 Literaturverzeichnis 168 - 6 - Verzeichnis wichtiger Symbole a Parameter mit der Bedeutung a = v S~ /(4K A D~ cos 8) Co Bruttokonzentration der Legierung Ca Konzentration der a -Phase CB Konzentration der B-Phase C Konzentration des Ubersattigten ao-Mischkristalls a 0 C Konzentration des a-Mischkristalls im Gleichgewicht a e mit der B-Phase e a Mittlere Konzentration in der a -Mischkristall-Lamelle Konzentration der Reaktionsfront C~ Dl Koeffizient der Lateraldiffusion in der Reaktionsfront B ~ Koeffizient der spnkrechten Diffusion in der Reaktions front DV Koeffizient der Volumendiffusion Eo Wechselwirkungaenergie der B-Atome mit der Reaktions front n Parameter mit der Bedeutung n = exp (-Eo/RT) fa ' fB Volumenanteil dera--bzw. B-Phase Ga Freie-Enthalpie-Funktion des a-Mischkristalls GB Freie-Enthalpie-Funktion der Reaktionsfront-"Phase" t.Gc Anderung der freien Enthalpie aufgrund des Ausschei dungsprozesses II Ge Anderung der freien Enthalpie bei zum Gleichgewicht c fUhrender Ausscheidungsreaktion foG in den lamellaren a -B-Grenzflachen gespeicherte CJ freie Enthalpie foG* Anderung der in den lamellaren a-B-Grenzflachen CJ gespeicherten freien Enthal?ie aufgrund des diskon- tinuierlichen Vergroberungsprozesses foGDrag Anderung der freien Enthalpie aufgrund des "solute Drag" Koeffizienten des subregularen Ansatzes fUr die Freie-Enthalpie-Funktion - 7 - Ko,K,K* "Koeffizienten" der Verteilung der B-Atome auf Matrix und Reaktionsfront 1, I Koordinaten parallel zur Reaktionsfront L wert der Koordinate 1 in der Mitte zwischen zwei l3-Lamellen A Dicke del "Reaktionsfrontschicht" M Beweglichkeit der Reaktionsfront Wachstumsexponenten AQI Akti vierungsenthalpie der Grel3e K A D~ B AQx Aktivierungsenthalpie der Grel3e D~ / (A.n) B Q1 Aktivierungsenthalpie der Korngrenzendiffusion B Qw Aktivierungsenthalpie der Wachstumsgeschwindigkeit S Lamellenabstand 31 Abstand feiner Lamellen S2 Abstand grober Lamellen s=S2/S1 Vergreberungsverhaltnis Sa Dicke der a -Lame lIe Sl3 Dicke der l3-Lame11e a Spezifische freie Enthalpie einer Krongrenze im - a a o --0 Ubersattigten a o-Mischkristall a Spezifische freie Enthalpie der Grenzdflache (Reaktionsfront) zwischen Ubersattigtem ao-Misch kristall und entleertem a -Mischkristall aa l3 Spezifische- freie Enthalpie der Grenzflache zwischen a - und l3-Phase a C Spezifische freie Enthalpie einer koharenten al3 Grenzflache zwischen a - und l3-Phase Abklingkonstanten Temperatur, Auslagerungstemperatur Zeit, Aus1agerungszeit Winkel z\'rischen der x-Koordinate und der Wan derungsrichtung der Reaktionsfront Winkel zwischen Lamelle und Korngrenze - 8 - o Winkel am Dreiphasenpunkt der Reaktionsfront o Ux Parameter mit der Bedeutung v A cos e Ux - x D B v Wachstumsgeschwindigkeit der Ausscheidungszelle Molvolumen Vm W Ausscheidungsgrad YT, Y Mengenfunktionen x Koordinate senkrecht zur Reaktionsfront z, z Koordinate senkrecht zur breiten Seite der a-Lamelle - 9 - 1. Einleitung Der Fortschritt moderner technischer Entwicklungen ist bekannt lich oft entscheidend durch die mechanischen und physikali schen Eigenschaften der verfUgbaren Werkstoffe begrenzt. Erinnert sei zum Beispiel an die Entwicklung von Hochtempe ratur-Kernreaktoren und von Gasturbinen. Die Entwicklung und der Einsatz absolut neuer Werkstoffe auf der Grundlage bisher nicht verwendeter Sondermetalle ist nur in besonders gelager ten Fallen wirtschaftlich gerechtfertigt. Es ist haufig sinn voller, von konventionellen Metallen auszugehen und diese in einen GefUgezustand zu bringen, der ihre Eigenschaften in der gewUnschten Richtung verbessert. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften kann dies durch den Einbau dUnner Fasern oder Platten aus hartem Material in paralleler Anordnung in eine zahe metallische Grundmatrix geschehen [1]. Es sei erwahnt, daB dadurch bei bestimmten Kombinationen von Matrix- und Faser bzw. Lamellenmaterial Verbundwerkstoffe mit besonders interes santen elektrischen oder magnetischen Eigenschaften erhalten werden konnen [2]. Als besonders vorteilhaft hat sich die sog. in situ Herstellung der Verbundwerkstoffe erwiesen. Darunter versteht man die Bil dung des lamellaren GefUges aus einer einzigen Ausgangsphase [3]. Dies ist in Bild 1.1 schematisch dargestellt: in der. Reaktionsfront Rf wandelt sich die Ausgangsphase, hier y ge nannt, um in zwei Phasen, die lamellar angeordnet sind. Die Natur bietet fUr die in situ Herstellung lamellarer GefUge drei Reaktionen an: die Erstarrung von Eutektika, die eutekto idische Phasentransformation sowie die diskontinuierliche Ausscheidungsreaktion. Wahrend die erste Reaktion inzwischen auf breiter Basis eingesetzt wird zur Erzeugung von in situ Verbundwerkstoffen, existieren fUr die beiden anderen Reaktionen als reine Festk6rperreaktionen noch eine Reihe grundsatzlicher Probleme wie Fragen der Keimbildung, des Wachstums und der Morphologie. Daher sind die diskontinuier liche Ausscheidungsreaktion sowie die eutektoidische Pha sentransformation Gegenstand dieses Forschungsberichtes. Die untersuchten Legierungen der Systeme Ni-In und Mg-AI sowie das B-Cu-In-Eutektoid dienen dabei als Modellsubstanzen. - 10 - Rf (J y (J ) (J Bild 1.1 Schematische Darstellung der in situ Reaktion zur Erzeugung des lamellaren GefUges Wegen der durch die hexagonale Struktur vorgegebenen ausgeprag ten Anisotropie bestand die berechtigte Annahme, daB auch bei kontinuierlicher Ausscheidung in Mg-Legierungen gerichtete Anordnungen zu erwarten waren. Auf diesen Aspekt wird zuerst eingegangen. Als Summeneigenschaft sollte der elektrische Widerstand einer gerichteten lamellaren Anordnung zweier Phasen durch eine Parallelschaltung dargestellt werden konnen. Ferner ist anzu nehmen, daB die zahlreichen Grenzflachen des lamellaren Ge fUges die Leitungselektronen streuen. Das S-Cu-In-Eutektoid schien geeignet zur Untersuchung dieser Frage. In den Grenzflachen des lamellaren GefUges ist ein unter Umstanden betrachtlicher Anteil der freien Enthalpie gespei chert, der fUr den Abl~uf von Koagulationsreaktionen verant wortlich ist. Aufgrund des Gibbs-Thomson-Effekts [4] sind in der Umgebung einer gekrUmmten Phasengrenzflache die Konzen trationsverhaltnisse gegenUber der Umgebung einer ebenen Phasengrenzflache verandert. Eine ideale lamellare Struktur mit exakt ebenen Grenzflachen sollte daher nicht koagulieren. Reale lamellare StrwI:turen enthalten jedoch Fehler, die zu einer verringerten GefUgestabilitat bei Dauererhitzung fUh-
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