Segregation and phase transformations at interfaces

Abstract

Important properties of metallic materials are strongly influenced by the behavior of interfaces, e.g. grain boundaries and free surfaces. Therefore the understanding of processes, which can change this behavior, have become of great importance from both the theoretical and the practical point of view. To these processes belong the grain boundary and surface segregation, the discontinuous precipitation as well as the grain boundary wetting. A particular goal of this work was to investigate the grain boundary and surface segregation in the Cu-Bi system under exactly the same conditions. The diffusivities of moving grain boundaries was determined in the Cu-In system applying, for the first time, a local analysis of growth kinetics of the discontinuous precipitation reaction. The Al-MG and Al-Zn systems were studied systematically regarding grain boundary wetting, in order to find an explanation for the enormous superplastic behavior of alloys based on these systems. The grain boundary and surface segregation were studied in the Cu-Bi system under identical conditions by using a special sample preparation procedure. After annealing of the samples at temperatures between 1073 and 1223 K segregation of Bi at grain boundaries and internal free surfaces in Cu bicrystals was accomplished. For the first time, Bi segregation at free surfaces was determined under equilibrium conditions. The segregation of Bi at the free surfaces was clearly stronger than at the grain boundaries. The morphology and kinetics of the discontinuous precipitation reaction were comprehensively studied in a Cu-4.5 At,% in alloy. Special attention was given to the determination of the concentration gradients remaining in the solute-depleted matrix. The grain boundary diffusion coefficient was determined applying a local interpretation of growth kinetics and thus the discrepancy between two differently models was eliminated. Finally the wetting behavior in Al-Mg and Al-Zn alloys was studied by a metallographic investigation. With this purpose cross-sections of samples with different compositions, which had been annelaed at different temperatures, were prepared and examined afterwards. The wetting behavior plays a substantial role regarding the mechanical characteristics of these alloys. For the first time, the formation of a second solid layer at the grain boundaries was disccussed in terms of wetting by a solid phase. During the accomplished investigations the possibilities of the analytic transmission electron microscopy were mainly used. Concentration profiles within nm range could be determined thanks to the high resolution of this technique. Furthermore Auger electron spectroscopy, light and scanning electron microscopy, as well as microanalysis and X-ray diffraction analyses were used, in order to achieve the above-mentioned goals of this work.

Wichtige Eigenschaften metallischer Werkstoffe werden vom Verhalten der Grenzflächen, wie z.B. Korngrenzen und freien Oberflächen, stark beeinflusst. Das Verständnis von Vorgängen, die dieses Verhalten ändern können, gewinnen deswegen sowohl aus theoretischer als auch aus praktischer Sicht immer mehr an Bedeutung. Zu diesen Vorgängen gehören die Korngrenzen- und Oberflächensegregation, die diskontinuierliche Ausscheidung sowie die Benetzung von Korngrenzen. Ein besonderes Ziel dieser Arbeit war es, die Korngrenzen- und Oberflächensegrega-tion im System Cu–Bi unter identischen Bedingungen zu untersuchen. Im System Cu–In sollte erstmals durch eine lokale Analyse der Wachstumskinetik der diskontinuierlichen Ausscheidungsreaktion die Korngrenzendiffusität ermittelt werden. Die Systeme Al–Mg und Al–Zn sollten zum ersten Mal systematisch hinsichtlich Korngrenzenbenetzung untersucht werden, um eine Erklärung für das enorme superplastische Verhalten von Legierungen dieser Systeme zu finden. Die Korngrenzen- und Oberflächensegregation wurden im System Cu–Bi – dank einem besonderen Probenvorbereitungsverfahren – unter identischen Bedingungen untersucht. Nach einer Auslagerung der Proben bei Temperaturen zwischen 1073 und 1223 K wurde die Segregation von Bi an den Korngrenzen und Oberflächen orientierter Cu-Zweikristalle gemessen. Zum ersten Mal wurde die Segregation von Bi an freien Oberflächen von Cu unter Gleichgewichtsbedingungen bestimmt. Die Segregation von Bi an den freien Oberflächen ist deutlich stärker als an den Korngrenzen. Die Morphologie und Kinetik der diskontinuierlichen Ausscheidungsreaktion wurden in einer Cu-4.5 At.% In-Legierung umfassend studiert. Besondere Aufmerksamkeit wurde der Bestimmung der in der entmischten Matrix verbleibenden Konzentrationsgradienten gegeben. Durch lokale Interpretation der Kinetik des Phänomens wurde der Korngrenzendiffusionskoeffizient neu berechnet und damit die Diskrepanz zwischen zwei verschieden Modellen beseitigt. Schließlich wurde das Benetzungsverhalten von Korngrenzen in den Systemen Al–Mg und Al–Zn durch eine metallographische Untersuchung erforscht. Dafür wurden Querschliffe aus Proben unterschiedlicher Zusammensetzung, die bei verschiedenen Tempera-turen ausgelagert worden waren, hergestellt und anschließend untersucht. Das Benetzungsverhalten spielt eine wesentliche Rolle hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen. Erstmals wurde eine Benetzung durch eine feste Phase diskutiert. Bei den durchgeführten Untersuchungen wurden hauptsächlich die Möglichkeiten der analytischen Transmissionselektronenmikroskopie genutzt. Durch die hohe Auflösungsgrenze dieser Methoden konnten Konzentrationsprofile in nm-Bereich ermittelt werden. Ferner wurden die Auger-Elektronspektroskopie, die Licht- und Rasterelektronenmikroskopie, sowie Mikroanalyse und Röntgenographie eingesetzt, um die obengenannten Ziele dieser Doktorarbeit zu erreichen.