Microstructure and grain growth of nanosized materials

Abstract

The unique properties exhibited by nanocrystalline materials have been the subject of widespread research for over two decades due to fundamental scientific interest as well as the increasing technological importance of such materials. The extremely large interfacial area per unit volume of nanocrystalline materials has a significant influence on the properties of these materials and the specific anomalies observed are related to the particular microstructure of the nanocrystalline state. Microstructural studies, by definition, encompass the study of the arrangement of crystallites (of same or differing phase constitution) and of the crystal defects. This thesis titled ‘Microstructure and grain growth of nanosized materials’ addresses these microstructural features of nanoscaled materials. The microstructure of a material depends pronouncedly on the fabrication method. The method employed in this work for the preparation of nanocrystalline materials is mechanical milling which leads to the formation nanocrystalline materials with far-from equilibrium structures owing to the large amount of defects introduced upon milling. Plastic deformation leads to not only defects in the form of grain boundaries, dislocations and faults within the grains but also, high-density ensembles of non-equilibrium dislocations in the grain boundaries along with an excess concentration of vacancies are generated. The microstructure of such nanocrystalline materials has been investigated in the present work primarily by employing dedicated X-ray diffraction line profile analyses which are very efficacious methods to extract detailed microstructural information.

Die einzigartigen Eigenschaften nanokristalliner Materialien waren sowohl aufgrund wissenschaftlichen Interesses, als auch wegen ihrer technologischen Bedeutung seit mehr als zwei Jahrzehnten Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten. Die extrem hohe Grenzfläche pro Einheitsvolumen von nanokristallinen Materialien hat einen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften dieser Materialien und die beobachteten spezifischen Besonderheiten in den Eigenschaften lassen sich auf die nanokristalline Mikrostruktur zurückführen. Die vorliegende Arbeit mit dem Titel „Mikrostruktur und Kornwachstum von nanoskaligen Materialien“ ist der Untersuchung einiger dieser besonderen Eigenschaften von nanoskaligen Materialien gewidment. Die Mikrostruktur eines Materials hängt wesentlich von dessenHerstellungsmethode ab. Die Herstellungsmethode, die in dieser Arbeit verwendet wurde, ist das mechanische Mahlen, das zu der Bildung von nanokristallinen Materialien führt mit Mikrostrukturen, die aufgrund des Einbringens zahlreicher Defekte während des Mahlens weit entfernt von Gleichgewichtszuständen sind. Nanokristallisation aufgrund von plastischer Deformation führt nicht nur zu Defekten in Form von Korngrenzen und Versetzungen, sowie Gitterfehlern innerhalb der Körner, aber auch zu Überschuss- Versetzungen in den Korngrenzen und einer Überschusskonzentration an Leerstellen. Die Mikrostrukturen von nanokristallinen Materialien wurde in der vorliegenden Arbeit insbesondere mittels geeigneter Röntgenbeugungs-Linienprofilanalysen untersucht, die eine sehr geeignete Methode zur Extraktion der verschiedenen mikrostrukturellen Charakteristika darstellt. Die wesentlichen Ergebnisse dieser Dissertation können wie folgt zusammengefasst werden.