Diffuse Röntgenstreuung an binären Legierungen

Abstract

Zum theoretischen Verständnis moderner Hochleistungslegierungen und deren zielgerichtete Weiterentwicklung ist die Kenntnisse der effektiven Paar-Wechselwirkungspotentiale von entscheidender Bedeutung. Mit der diffusen Nahordnungsstreuung ist ein experimenteller Zugang zu diesen Potentialen in binären Legierungskristallen möglich.

In dieser Arbeit wird eine neue Technik zur Messung diffuser Streusignale von vorgestellt, welche auf der Verwendung von hochenergetischen Röntgenstrahlen und Flächendetektoren basiert. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden mit Punktzählern wird damit eine höhere Datenqualität bei gleichzeitiger Verringerung der Meßzeit um mehrere Größenordnungen erreicht. Zu diesem Zweck wurde auch eine spezielle HV-Probenumgebung konstruiert.

Erste Experimente wurden an Kristallen der als wohlverstanden geltenden Modellsysteme für Ordnungsphänomene Cu3Pd- und Cu3Au durchgeführt. Dabei war es erstmals möglich, mit Hilfe von Röntgenbeugung ein Abbild der durch die Fermi-Oberflächen induzierten Abschirmeffekte in der Nahordnung dieser beiden binären Legierungen zu erhalten.

Bei Experimenten am System Cu-Mn wurden deutliche Anzeichen für ein nichtanalytisches Verhalten der effektiven Wechselwirkungspotentiale und damit auch der diffusen Nahordnungsstreuung in der Umgebung des Gamma-Punktes beobachtet. Dies bestätigt Vorhersagen neuer effizienter Methoden zur theoretischen Beschreibung der Energetik und des Nahordnungsverhaltens binärer Systeme.

Im System Au-Ni konnten durch die parallele Datenerfassung in ganzen Ebenen des reziproken Raums konkurrierende Nahordnungstendenzen beobachtet werden. Weiterhin erlaubte die Zeitauflösung der Meßmethode, die Nukleationsprozesse bei der Entmischung des Systems in-situ zu beobachten. Dabei zeigten sich zwei unterschiedliche Nukleationskanäle, die auf einen sehr komplexen Einfluß des Wechselwirkungspotentials auf den Phasenseparationsprozeß in diesem System hindeuten.

Information about the effective pair interaction potentials is essential for the theoretical understandig of todays high-performance multicomponent alloys. Without this data a purposive design of new alloys is not feasible. An experimental tool which gives access to these potentials in crystalline materials is diffuse scattering.

In this thesis a new experimental technique for recording the diffuse scattering from crystals is presentend. It is based on the application of high energy X-rays and area detectors. In comparison to conventional techniques using point detectors the data aquisition time can be decreased by several orders of magnitude while the quality of the datasets is incrased. For this purpose a special sample environment was designed.

First experiments were carried out on Cu3Au- and Cu3Pd-crystals, which are known as model systems for ordering phenomena in binary alloys. Subtle effects on the short range order which are induced by screening effects related to the Fermi surface in these alloys were clearly visible in the recorded images. It was the first time these effects could be resolved quantitavely using X-ray diffraction.

Experiments on the Cu-Mn system revealed clear indications for a nonalytic behaviour of the effective pair interaction potentials at the Gamma-point. This phenomenon was predicted by new and effcient theoretical concepts for the description of the energetics and ordering phenomena in binary alloys.

In the experiments on the phase separating Au-Ni system different competing short range ordering tendencies could be observed. This was possible due to the capability of parallel recording of the intensity in entire planes of reciprocal space. The time resolution of the experimental technique made it feasible to observe in-situ two different nucleation channels during phase separation. This points towards complex effects of the effective pair interaction potential on kinetic phenomena in Au-Ni.