Solid state phase transformation kinetics

Abstract

Festkörperphasenumwandlungen bestimmen die Mikrostruktur und damit die Eigenschaften vieler, technologisch interessanter Materialien. Die Einstellung der Materialeigenschaften durch Kontrolle der Phasenumwandlungen geschieht in der Industrie größtenteils empirisch. Grundlegende Kenntnisse der Phasenumwandlungen und ihrer Teilprozesse würden eine gezielte Einstellung der Materialeigenschaften ermöglichen. In dieser Dissertation wird ein Model zur Kinetik der Festkörperphasenumwandlung mit drei Teilprozessen vorgestellt: Keimbildung, Wachstum und das Zusammenstoßen von wachsenden Teilchen. Für jedes der drei Prozesse können unterschiedliche mathematische Beschreibungen verwendet werden. Welche spezifische Beschreibung gewählt wird, hängt von mikrostrukturellen Informationen für die untersuchte Phasenumwandlung ab. Für spezifische einfache Fälle entspricht dieses modular aufgebaute Model der Beschreibung nach Johnson-Mehl-Avrami. Eine Methode zur gleichzeitigen Ermittlung der Aktivierungsenergie für Keimbildung und Wachstum ist ein Ergebniss dieses kinetischen Models. Diese Methode wurde erfolgreich auf das Kristallisationsverhalten von amorphem Pd40Cu30P20Ni10 angewandt. Die Kristallisation für vier amorphe Legierungen der Modelsysteme Mg-Ni und Mg-Cu konnte für bestimmte Fälle richtig beschrieben werden. Es konnte aber auch gezeigt werden, dass die Kristallisation der amorphen Mg-Cu Legierungen nicht isokinetisch verläuft: bei hohen Temperaturen findet die Kristallisation in zwei Schritte statt, bei niedrigen Temperaturen erfolgt sie in nur einem Schritt. Die Austenit-Ferrit Phasenumwandlung in Fe98Mn2 wurde mit der Differential Thermoanalyse untersucht, wofür ein neues Eich- und Entschmierungsverfahren entwickelt wurde. Die Phasenumwandlung erfolgt in zwei Schritten, wobei die Umwandlungsgeschwindigkeit des ersten Schritts vom Aufbau mechanischer Spannungen an der Grenzfläche zwischen Austenit und Ferrit bestimmt ist.

Solid state phase transformations determine the microstructure, and thus the material properties in many materials of technological interest. Industrial adjustment of material properties by controlling phase transformations is mainly achieved empirically. Basic understanding of the phase transformations, and its partial processes might enable a more systematic way of adjusting the material properties. In this thesis, a model for the kinetics of solid state phase transformations is presented, recognising three partial processes: nucleation, growth, and impingement of growing particles. For each of the three partial processes, several mathematical descriptions could be incorporated. The choice for one specific mathematical description is based on microstructural information about the involved phase transformation. This modular kinetic model reduces to the well-known Johnson-Mehl-Avrami kinetics in certain specific cases. From the kinetic model, a method resulted, to obtain the activation energies for nucleation and growth separately. This method is successfully applied to the crystallisation of amorphous Pd40Cu30P20Ni10. It is shown possible to describe the kinetics of crystallisation of four amorphous alloys from the model-systems Mg-Ni and Mg-Cu in certain cases. However, it is also shown that the crystallisation of amorphous Mg-Cu was not isokinetic: at high temperature, the crystallisation took place in two steps, at low temperature, it took place in one step. The austenite-ferrite phase transformation in Fe98Mn2 was studied by differential thermal analysis, for which a new calibration and desmearing procedure was developed. It is seen that the phase transformation took place in two steps, from which the first step was rate determined by the building up of mechanical stress at the interface between the two phases, and the second step (at lower temperature) was rate determined by the interface mobility.