Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHT 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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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-
